JP6211999B2 - Nitride semiconductor layer, nitride semiconductor device, and method of manufacturing nitride semiconductor layer - Google Patents

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Description

本発明の実施形態は、窒化物半導体層、窒化物半導体装置及び窒化物半導体層の製造方法に関する。   Embodiments described herein relate generally to a nitride semiconductor layer, a nitride semiconductor device, and a method for manufacturing a nitride semiconductor layer.

窒化物半導体を用いた半導体発光装置(例えば、発光ダイオード)が、表示装置や照明などに用いられている。この他、窒化物半導体は、高速電子デバイスやパワーデバイスに利用されている。窒化物半導体層を、格子定数または熱膨張係数が異なる基板上に形成すると、基板の反りやクラックが発生しやすい。性能の向上とともに、反りを小さくしクラックを抑制し、高生産性を実現する技術が望まれる。   A semiconductor light emitting device (for example, a light emitting diode) using a nitride semiconductor is used for a display device, illumination, or the like. In addition, nitride semiconductors are used for high-speed electronic devices and power devices. When the nitride semiconductor layer is formed on a substrate having a different lattice constant or thermal expansion coefficient, the substrate is likely to warp or crack. There is a demand for a technology that realizes high productivity with improved performance, reduced warpage and cracking.

特開2007−281140号公報JP 2007-281140 A

本発明の実施形態は、高生産性の窒化物半導体層、窒化物半導体装置及び窒化物半導体層の製造方法を提供する。   Embodiments of the present invention provide a highly productive nitride semiconductor layer, a nitride semiconductor device, and a method for manufacturing a nitride semiconductor layer.

本発明の実施形態によれば、第1面に沿って広がる窒化物半導体層が提供される。前記窒化物半導体層は、第1領域と、第2領域と、を含む。前記第1面に対して平行な第1方向における前記第1領域の長さは、前記第1面に対して平行で前記第1方向に対して垂直な第2方向における前記第1領域の長さよりも長い。前記第2領域は、前記第2方向において前記第1領域と並ぶ。前記第1方向における前記第2領域の長さは、前記第2方向における前記第2領域の長さよりも長い。前記第1領域及び前記第2領域のc軸は、前記第2方向に対して傾斜する。前記c軸は、前記第1面に対して垂直な第3方向と交差する。前記c軸は、前記第2方向及び前記第3方向を含む平面に対して傾斜する。
本発明の別の実施形態によれば、窒化物半導体装置は、基板と、前記複数の斜面から成長された窒化物半導体層と、を含む。前記基板は、上面と、前記上面に対して傾斜する複数の斜面と、を含む主面を有する。前記上面に対して平行な第1方向における前記複数の斜面のそれぞれの長さは、前記上面に対して平行で前記第1方向に対して垂直な第2方向における前記複数の斜面のそれぞれの長さよりも長い。前記複数の斜面は前記第2方向に並ぶ。前記窒化物半導体層のc軸は、前記第2方向に対して傾斜する。前記c軸は、前記上面に対して垂直な第3方向と交差する。前記c軸は、前記第2方向及び前記第3方向を含む平面に対して傾斜する。
本発明の別の実施形態によれば、窒化物半導体装置は、窒化物半導体層を含む。前記窒化物半導体層は、上面と、前記上面に対して傾斜する複数の斜面と、を含む主面を有する基板であって、前記上面に対して平行な第1方向における前記複数の斜面のそれぞれの長さは、前記上面に対して平行で前記第1方向に対して垂直な第2方向における前記複数の斜面のそれぞれの長さよりも長く、前記複数の斜面は前記第2方向に並ぶ、前記基板の前記複数の斜面から、前記窒化物半導体層は成長される。前記窒化物半導体層のc軸は、前記第2方向に対して傾斜する。前記c軸は、前記上面に対して垂直な第3方向と交差する。前記c軸は、前記第2方向及び前記第3方向を含む平面に対して傾斜する。
本発明の別の実施形態によれば、窒化物半導体層の製造方法は、基板を用意することを含む。前記基板は、上面と、前記上面に対して傾斜する複数の斜面と、を含む主面を有する。前記上面に対して平行な第1方向における前記複数の斜面のそれぞれの長さは、前記上面に対して平行で前記第1方向に対して垂直な第2方向における前記複数の斜面のそれぞれの長さよりも長い。前記複数の斜面は前記第2方向に並ぶ。窒化物半導体層の製造方法は、前記複数の斜面からエピタキシャル成長により窒化物半導体層を成長させることを含む。前記窒化物半導体層のc軸は、前記第2方向に対して傾斜する。前記c軸は、前記上面に対して垂直な第3方向と交差する。前記c軸は、前記第2方向及び前記第3方向を含む平面に対して傾斜する。
According to the embodiment of the present invention, a nitride semiconductor layer extending along the first surface is provided. The nitride semiconductor layer includes a first region and a second region. The length of the first region in the first direction parallel to the first surface is the length of the first region in the second direction parallel to the first surface and perpendicular to the first direction. Longer than that. The second region is aligned with the first region in the second direction. The length of the second region in the first direction is longer than the length of the second region in the second direction. The c-axis of the first region and the second region is inclined with respect to the second direction. The c-axis intersects a third direction perpendicular to the first surface. The c-axis is inclined with respect to a plane including the second direction and the third direction.
According to another embodiment of the present invention, a nitride semiconductor device includes a substrate and a nitride semiconductor layer grown from the plurality of slopes. The substrate has a main surface including an upper surface and a plurality of inclined surfaces inclined with respect to the upper surface. The lengths of the plurality of slopes in the first direction parallel to the top surface are the lengths of the plurality of slopes in the second direction parallel to the top surface and perpendicular to the first direction. Longer than that. The plurality of slopes are arranged in the second direction. The c-axis of the nitride semiconductor layer is inclined with respect to the second direction. The c-axis intersects a third direction perpendicular to the upper surface. The c-axis is inclined with respect to a plane including the second direction and the third direction.
According to another embodiment of the present invention, a nitride semiconductor device includes a nitride semiconductor layer. The nitride semiconductor layer is a substrate having a main surface including an upper surface and a plurality of inclined surfaces inclined with respect to the upper surface, and each of the plurality of inclined surfaces in a first direction parallel to the upper surface. Is longer than each of the plurality of slopes in a second direction parallel to the upper surface and perpendicular to the first direction, and the plurality of slopes are arranged in the second direction, The nitride semiconductor layer is grown from the plurality of slopes of the substrate. The c-axis of the nitride semiconductor layer is inclined with respect to the second direction. The c-axis intersects a third direction perpendicular to the upper surface. The c-axis is inclined with respect to a plane including the second direction and the third direction.
According to another embodiment of the present invention, a method for manufacturing a nitride semiconductor layer includes providing a substrate. The substrate has a main surface including an upper surface and a plurality of inclined surfaces inclined with respect to the upper surface. The lengths of the plurality of slopes in the first direction parallel to the top surface are the lengths of the plurality of slopes in the second direction parallel to the top surface and perpendicular to the first direction. Longer than that. The plurality of slopes are arranged in the second direction. The method for manufacturing a nitride semiconductor layer includes growing the nitride semiconductor layer from the plurality of inclined surfaces by epitaxial growth. The c-axis of the nitride semiconductor layer is inclined with respect to the second direction. The c-axis intersects a third direction perpendicular to the upper surface. The c-axis is inclined with respect to a plane including the second direction and the third direction.

図1(a)及び図1(b)は、第1の実施形態に係る窒化物半導体装置を示す模式的斜視図である。FIG. 1A and FIG. 1B are schematic perspective views showing the nitride semiconductor device according to the first embodiment. 第1の実施形態に係る窒化物半導体装置を示す模式的断面図である。1 is a schematic cross-sectional view showing a nitride semiconductor device according to a first embodiment. 図3(a)〜図3(c)は、第1の実施形態に係る窒化物半導体装置の製造方法を示す工程順模式的断面図である。FIG. 3A to FIG. 3C are schematic cross-sectional views in order of steps showing the method for manufacturing the nitride semiconductor device according to the first embodiment. 図4(a)〜図4(c)は、窒化物半導体装置に関する実験結果を示す電子顕微鏡写真像である。FIG. 4A to FIG. 4C are electron microscope photographic images showing experimental results regarding the nitride semiconductor device. 図5(a)及び図5(b)は、窒化物半導体装置に関する実験結果を示す電子顕微鏡写真像である。FIG. 5A and FIG. 5B are electron micrograph images showing experimental results regarding the nitride semiconductor device. 図6(a)〜図6(d)は、窒化物半導体装置の特性を示すグラフ図である。FIG. 6A to FIG. 6D are graphs showing characteristics of the nitride semiconductor device. 図7(a)〜図7(d)は、窒化物半導体装置を示す電子顕微鏡写真像及び模式図である。FIG. 7A to FIG. 7D are an electron micrograph image and a schematic diagram showing a nitride semiconductor device. 図8(a)〜図8(d)は、窒化物半導体装置を示す電子顕微鏡写真像である。FIG. 8A to FIG. 8D are electron micrograph images showing nitride semiconductor devices. 図9(a)〜図9(j)は、窒化物半導体装置を示す電子顕微鏡写真像及び模式的斜視図である。FIG. 9A to FIG. 9J are an electron micrograph image and a schematic perspective view showing the nitride semiconductor device. 図10(a)〜図10(d)は、第1の実施形態に係る窒化物半導体装置を示す模式的断面図である。FIG. 10A to FIG. 10D are schematic cross-sectional views showing the nitride semiconductor device according to the first embodiment. 第1の実施形態に係る別の窒化物半導体装置を示す模式的断面図である。FIG. 5 is a schematic cross-sectional view showing another nitride semiconductor device according to the first embodiment. 窒化物半導体装置を示す電子顕微鏡写真像である。It is an electron micrograph image which shows a nitride semiconductor device. 第2の実施形態に係る窒化物半導体層の製造方法を示すフローチャート図である。It is a flowchart figure which shows the manufacturing method of the nitride semiconductor layer which concerns on 2nd Embodiment.

以下に、本発明の各実施の形態について図面を参照しつつ説明する。
なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。
なお、本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
The drawings are schematic or conceptual, and the relationship between the thickness and width of each part, the size ratio between the parts, and the like are not necessarily the same as actual ones. Further, even when the same part is represented, the dimensions and ratios may be represented differently depending on the drawings.
Note that, in the present specification and each drawing, the same elements as those described above with reference to the previous drawings are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted as appropriate.

(第1の実施形態)
本実施形態は、窒化物半導体装置に係る。実施形態に係る窒化物半導体装置は、半導体発光装置、半導体受光装置、及び、電子装置などを含む。半導体発光装置は、例えば、発光ダイオード(LED)及びレーザダイオード(LD)などを含む。半導体受光装置は、フォトダイオード(PD)などを含む。電子装置は、例えば、高電子移動度トランジスタ(HEMT)、ヘテロ接合バイポーラトランジスタ(HBT)、電界効果トランジスタ(FET)及びショットキーバリアダイオード(SBD)などを含む。
(First embodiment)
The present embodiment relates to a nitride semiconductor device. The nitride semiconductor device according to the embodiment includes a semiconductor light emitting device, a semiconductor light receiving device, and an electronic device. The semiconductor light emitting device includes, for example, a light emitting diode (LED) and a laser diode (LD). The semiconductor light receiving device includes a photodiode (PD) and the like. The electronic device includes, for example, a high electron mobility transistor (HEMT), a heterojunction bipolar transistor (HBT), a field effect transistor (FET), and a Schottky barrier diode (SBD).

図1(a)及び図1(b)は、第1の実施形態に係る窒化物半導体装置を例示する模式的斜視図である。
図1(a)に示すように、実施形態に係る窒化物半導体装置110は、基板40と、窒化物半導体層15と、を含む。
FIG. 1A and FIG. 1B are schematic perspective views illustrating the nitride semiconductor device according to the first embodiment.
As shown in FIG. 1A, the nitride semiconductor device 110 according to the embodiment includes a substrate 40 and a nitride semiconductor layer 15.

窒化物半導体層15は、第1面15f(例えばX−Y平面)に沿って広がる。第1面15fは、平面である。窒化物半導体層15の巨視的な主面が、第1面15fに対応する。窒化物半導体層15の主面は、X−Y平面に対して平行である。窒化物半導体層15は、第1領域15aと、第2領域15bと、を含む。   The nitride semiconductor layer 15 extends along the first surface 15f (for example, the XY plane). The first surface 15f is a plane. The macroscopic main surface of the nitride semiconductor layer 15 corresponds to the first surface 15f. The main surface of the nitride semiconductor layer 15 is parallel to the XY plane. The nitride semiconductor layer 15 includes a first region 15a and a second region 15b.

X−Y平面に対して平行な1つの方向をX軸方向とする。X−Y平面に対して平行で、X軸方向に対して垂直な方向をY軸方向とする。X−Y平面に対して垂直な方向をZ軸方向とする。X軸方向を第1方向D1とする。Y軸方向を第2方向D2とする。Z軸方向を第3方向D3とする。   One direction parallel to the XY plane is defined as an X-axis direction. A direction parallel to the XY plane and perpendicular to the X-axis direction is taken as a Y-axis direction. A direction perpendicular to the XY plane is taken as a Z-axis direction. The X-axis direction is defined as a first direction D1. The Y axis direction is defined as a second direction D2. The Z-axis direction is defined as a third direction D3.

第1領域15a及び第2領域15bのそれぞれは、第1方向D1に沿って延びる。第1方向D1は、第1面15fに対して平行である。第2領域15bは、第1面15f内で、第1領域15aと並ぶ。第2領域15bは、第2方向D2において第1領域15aと並ぶ。第2領域15bは、第1領域15aと接する。   Each of the first region 15a and the second region 15b extends along the first direction D1. The first direction D1 is parallel to the first surface 15f. The second region 15b is aligned with the first region 15a in the first surface 15f. The second region 15b is aligned with the first region 15a in the second direction D2. The second region 15b is in contact with the first region 15a.

第1方向D1における第1領域15aの長さは、第2方向D2における第1領域15aの長さよりも長い。第1方向D1における第2領域15bの長さは、第2方向D2における第2領域15bの長さよりも長い。   The length of the first region 15a in the first direction D1 is longer than the length of the first region 15a in the second direction D2. The length of the second region 15b in the first direction D1 is longer than the length of the second region 15b in the second direction D2.

例えば、第1方向D1における第1領域15aの長さは、第3方向D3における第1領域15aの長さよりも長い。例えば、第1方向D1における第2領域15bの長さは、第3方向D3における第2領域15bの長さよりも長い。   For example, the length of the first region 15a in the first direction D1 is longer than the length of the first region 15a in the third direction D3. For example, the length of the second region 15b in the first direction D1 is longer than the length of the second region 15b in the third direction D3.

第1領域15aと第2領域15bとの間の境界17は、例えば、断面をTEM(透過形電子顕微鏡)による観察を行うことで観測される場合がある。この他、境界17は、表面(第1面15f)を原子間力顕微鏡(AFM)やカソードルミネッセンス(CL)による観察を行うことで観測される場合がある。   The boundary 17 between the first region 15a and the second region 15b may be observed by, for example, observing the cross section with a TEM (transmission electron microscope). In addition, the boundary 17 may be observed by observing the surface (first surface 15f) with an atomic force microscope (AFM) or cathodoluminescence (CL).

窒化物半導体層15は、c軸16を有する。第1領域15aは、c軸16aを有する。第2領域15bは、c軸16bを有する。c軸16aは、c軸16bに対して実質的に平行である。c軸16(c軸16a及びc軸16b)の方向は、例えばX線回折により観測できる。第1領域15aのc軸16aと、第2領域15bのc軸と、は、互いに平行である。TEM像などにおいて、第1領域15aで観察される像の明暗の方向は、第2領域15bで観察される像の明暗の方向に対して平行である。例えば、窒化物半導体層15の巨視的なc軸16の方向がX線回折により観測される。このとき、この巨視的な方向が、c軸16aの方向及びc軸16bの方向と一致するとみなして良い。   The nitride semiconductor layer 15 has a c-axis 16. The first region 15a has a c-axis 16a. The second region 15b has a c-axis 16b. The c-axis 16a is substantially parallel to the c-axis 16b. The direction of the c-axis 16 (c-axis 16a and c-axis 16b) can be observed by, for example, X-ray diffraction. The c-axis 16a of the first region 15a and the c-axis of the second region 15b are parallel to each other. In a TEM image or the like, the brightness direction of the image observed in the first region 15a is parallel to the brightness direction of the image observed in the second region 15b. For example, the macroscopic c-axis 16 direction of the nitride semiconductor layer 15 is observed by X-ray diffraction. At this time, this macroscopic direction may be regarded as coincident with the direction of the c-axis 16a and the direction of the c-axis 16b.

窒化物半導体層15のc軸16(c軸16a及びc軸16bのそれぞれ)は、第1方向D1に対して傾斜している。c軸16(c軸16a及びc軸16bのそれぞれ)は、第1方向D1に対して平行ではなく、垂直でもない。
窒化物半導体層15のc軸16(c軸16a及びc軸16bのそれぞれ)は、第2方向D2に対して傾斜している。c軸16(c軸16a及びc軸16bのそれぞれ)は、第2方向D2に対して平行ではなく、垂直でもない。
The c-axis 16 (each of the c-axis 16a and the c-axis 16b) of the nitride semiconductor layer 15 is inclined with respect to the first direction D1. The c-axis 16 (each of the c-axis 16a and the c-axis 16b) is neither parallel nor perpendicular to the first direction D1.
The c-axis 16 (each of the c-axis 16a and the c-axis 16b) of the nitride semiconductor layer 15 is inclined with respect to the second direction D2. The c-axis 16 (each of the c-axis 16a and the c-axis 16b) is neither parallel nor perpendicular to the second direction D2.

窒化物半導体層15のc軸16(c軸16a及びc軸16bのそれぞれ)を第1面15fに投影した方向(軸)は、第2方向D2に対して傾斜している。第1領域15aのc軸16aを第1面15fに投影した方向と、第2方向D2と、の間の角度θ2は、例えば、5度以上85度以下である。第2領域15bのc軸16bを第1面15fに投影した方向と、第2方向D2と、の間の角度θ2は、例えば、5度以上85度以下である。   The direction (axis) in which the c-axis 16 (each of the c-axis 16a and the c-axis 16b) of the nitride semiconductor layer 15 is projected on the first surface 15f is inclined with respect to the second direction D2. An angle θ2 between the direction in which the c-axis 16a of the first region 15a is projected on the first surface 15f and the second direction D2 is, for example, not less than 5 degrees and not more than 85 degrees. The angle θ2 between the direction in which the c-axis 16b of the second region 15b is projected onto the first surface 15f and the second direction D2 is, for example, not less than 5 degrees and not more than 85 degrees.

このように、第1領域15aのc軸16a、及び、第2領域15bのc軸16bのそれぞれを第1面15fに投影した方向(軸)のそれぞれは、それらの境界17の延在方向(第1方向D1)に対して傾斜している。第1領域15aのc軸16a、及び、第2領域15bのそれぞれをc軸16bの第1面15fに投影した方向(軸)のそれぞれは、境界17の延在方向(第1方向D1)に対して垂直な第2方向D2に対して傾斜している。   Thus, the direction (axis) in which each of the c-axis 16a of the first region 15a and the c-axis 16b of the second region 15b is projected onto the first surface 15f is the extending direction of the boundary 17 ( It is inclined with respect to the first direction D1). The direction (axis) in which the c-axis 16a of the first region 15a and the second region 15b are projected onto the first surface 15f of the c-axis 16b is in the extending direction of the boundary 17 (first direction D1). It inclines with respect to the 2nd direction D2 perpendicular | vertical.

窒化物半導体層15のc軸16(c軸16a及びc軸16bのそれぞれ)は、第3方向D3(第1面15fに対して垂直な方向(軸))と交差する。窒化物半導体層15のc軸16は、第3方向D3に対して、実質的に垂直、または、傾斜している。   The c-axis 16 (each of the c-axis 16a and the c-axis 16b) of the nitride semiconductor layer 15 intersects the third direction D3 (direction (axis) perpendicular to the first surface 15f). The c-axis 16 of the nitride semiconductor layer 15 is substantially perpendicular or inclined with respect to the third direction D3.

この例では、窒化物半導体層15のc軸16(c軸16a及びc軸16bのそれぞれ)は、第1面15fに対して傾斜する。第1領域15aのc軸16aと、第1面15fと、の間の角度θ1は、0度以上85度以下である。第2領域15bのc軸16bと、第1面15fと、の間の角度θ1は、例えば、0度以上85度以下である。主面15fは、例えばc面とは異なる。主面15fは、c面にオフ角を設けた結晶面(オフ基板、ミスカット基板)とは、異なる。例えば、主面15fは、半極性面である。または、例えば、主面15fは、非極性面である。   In this example, the c-axis 16 (each of the c-axis 16a and the c-axis 16b) of the nitride semiconductor layer 15 is inclined with respect to the first surface 15f. An angle θ1 between the c-axis 16a of the first region 15a and the first surface 15f is not less than 0 degrees and not more than 85 degrees. An angle θ1 between the c-axis 16b of the second region 15b and the first surface 15f is, for example, not less than 0 degrees and not more than 85 degrees. The main surface 15f is different from, for example, the c-plane. The main surface 15f is different from a crystal plane (off substrate, miscut substrate) provided with an off angle on the c plane. For example, the main surface 15f is a semipolar surface. Alternatively, for example, the main surface 15f is a nonpolar surface.

このような窒化物半導体層15は、斜面を有する基板40を用いた結晶成長により、得られる。   Such a nitride semiconductor layer 15 is obtained by crystal growth using a substrate 40 having a slope.

図1(b)は、基板40を例示する模式的斜視図である。
基板40は、主面40aを有する。主面40aは、基板40の巨視的な主面である。主面40aは、第1面15fに対して、実質的に平行である。基板40は、主面40aに沿って広がる。
FIG. 1B is a schematic perspective view illustrating the substrate 40.
The substrate 40 has a main surface 40a. The main surface 40 a is a macroscopic main surface of the substrate 40. The main surface 40a is substantially parallel to the first surface 15f. The substrate 40 extends along the main surface 40a.

主面40aは、上面40u(頂面)と、複数の斜面41と、を含む。複数の斜面41のそれぞれは、上面40uに対して傾斜する。巨視的な主面40aは、上面40uに対して平行であると見なす。複数の斜面41は、第1面15fに対して傾斜している。複数の斜面41は、第2方向D2において並ぶ。   The main surface 40a includes an upper surface 40u (top surface) and a plurality of inclined surfaces 41. Each of the plurality of inclined surfaces 41 is inclined with respect to the upper surface 40u. The macroscopic main surface 40a is considered to be parallel to the upper surface 40u. The plurality of inclined surfaces 41 are inclined with respect to the first surface 15f. The plurality of inclined surfaces 41 are arranged in the second direction D2.

斜面41は、例えば、斜面41aと、斜面41bと、を含む。斜面41bは、第2方向D2において斜面41aと離間する。   The inclined surface 41 includes, for example, an inclined surface 41a and an inclined surface 41b. The slope 41b is separated from the slope 41a in the second direction D2.

複数の斜面41(例えば、斜面41a及び斜面41b)のそれぞれの第1方向D1に沿った長さは、複数の斜面41(斜面41a及び斜面41b)のそれぞれの第2方向D2に沿った長さよりも長い。複数の斜面41(例えば、斜面41a及び斜面41b)のそれぞれの第1方向D1に沿った長さは、複数の斜面41(斜面41a及び41b)のそれぞれの第3方向D3に沿った長さよりも長い。   The length along the first direction D1 of each of the plurality of slopes 41 (for example, the slope 41a and the slope 41b) is longer than the length along the second direction D2 of each of the plurality of slopes 41 (the slope 41a and the slope 41b). Also long. The length along the first direction D1 of each of the plurality of slopes 41 (for example, the slope 41a and the slope 41b) is larger than the length along the third direction D3 of each of the plurality of slopes 41 (slopes 41a and 41b). long.

窒化物半導体層15は、これらの複数の斜面41から成長されている。この窒化物半導体層15のc軸16は、基板40の上面40u(主面40a)に対して傾斜している。このc軸16は、第3方向D3(上面40uに対して垂直な方向)と交差する。   The nitride semiconductor layer 15 is grown from the plurality of inclined surfaces 41. The c-axis 16 of the nitride semiconductor layer 15 is inclined with respect to the upper surface 40 u (main surface 40 a) of the substrate 40. The c-axis 16 intersects the third direction D3 (direction perpendicular to the upper surface 40u).

この例では、基板40は、複数の凹部45を有する。複数の凹部45は、第2方向D2において並ぶ。複数の斜面41のそれぞれは、複数の凹部45のそれぞれの側面の一部である。   In this example, the substrate 40 has a plurality of recesses 45. The plurality of recesses 45 are arranged in the second direction D2. Each of the plurality of slopes 41 is a part of the side surface of each of the plurality of recesses 45.

例えば、複数の凹部45は、第1凹部45aと第2凹部45bとを含む。第1凹部45a及び第2凹部45bは、第1方向D1に沿って延在する。複数の凹部45(第1凹部45a及び第2凹部45bなど)のそれぞれの第1方向D1の長さは、複数の凹部45のそれぞれの第2方向D2の長さよりも長い。複数の凹部45(第1凹部45a及び第2凹部45bなど)のそれぞれの第1方向D1の長さは、複数の凹部45のそれぞれの第3方向D3の長さよりも長い。   For example, the plurality of recesses 45 include a first recess 45a and a second recess 45b. The first recess 45a and the second recess 45b extend along the first direction D1. The length of each of the plurality of recesses 45 (such as the first recess 45a and the second recess 45b) in the first direction D1 is longer than the length of each of the plurality of recesses 45 in the second direction D2. The length of each of the plurality of recesses 45 (such as the first recess 45a and the second recess 45b) in the first direction D1 is longer than the length of each of the plurality of recesses 45 in the third direction D3.

第1凹部45aは、側面46asと側面46arと底面46atとを有する。側面46arは、側面46asと対向する。底面46atは、側面46as及び側面46arと接続される。   The first recess 45a has a side surface 46as, a side surface 46ar, and a bottom surface 46at. The side surface 46ar faces the side surface 46as. The bottom surface 46at is connected to the side surface 46as and the side surface 46ar.

第2凹部45bは、側面46bsと側面46brと底面46btとを有する。側面46brは、側面46bsと対向する。底面46btは、側面46bs及び側面46brと接続される。   The second recess 45b has a side surface 46bs, a side surface 46br, and a bottom surface 46bt. The side surface 46br faces the side surface 46bs. The bottom surface 46bt is connected to the side surface 46bs and the side surface 46br.

側面46as、側面46ar、側面46bs及び側面46brは、第1方向D1に対して平行である。   The side surface 46as, the side surface 46ar, the side surface 46bs, and the side surface 46br are parallel to the first direction D1.

側面46asと側面46bsとの間に、側面46arが配置される。側面46arと側面46brとの間に側面46bsが配置される。側面46asと側面46arとは、互いに向かい合う。側面46bsと側面46brとは、互いに向かい合う。   A side surface 46ar is disposed between the side surface 46as and the side surface 46bs. Side surface 46bs is arranged between side surface 46ar and side surface 46br. The side surface 46as and the side surface 46ar face each other. The side surface 46bs and the side surface 46br face each other.

この例では、側面46arは、側面46asに対して実質的に平行である。側面46brは、側面46bsに対して実質的に平行である。   In this example, the side surface 46ar is substantially parallel to the side surface 46as. The side surface 46br is substantially parallel to the side surface 46bs.

このように、基板40において、複数の凹部45のそれぞれは、互いに向かい合う第1側面及び第2側面を含む。第1側面は、例えば、側面46as及び側面46bsである。第2側面は、例えば、側面46ar及び側面46brである。   Thus, in the substrate 40, each of the plurality of recesses 45 includes the first side surface and the second side surface facing each other. The first side surface is, for example, a side surface 46as and a side surface 46bs. The second side surface is, for example, a side surface 46ar and a side surface 46br.

複数の斜面41のそれぞれは、複数の凹部45のそれぞれの第1側面(側面46as及び側面46bs)である。   Each of the plurality of inclined surfaces 41 is a first side surface (side surface 46as and side surface 46bs) of each of the plurality of concave portions 45.

この例では、第2側面(側面46ar及び側面46brなど)は、第1側面(側面46as及び側面46bs)に対して平行である。   In this example, the second side surface (the side surface 46ar and the side surface 46br) is parallel to the first side surface (the side surface 46as and the side surface 46bs).

実施形態においては、後述するように、凹部45の延在方向(第1方向D1)を、基板40の結晶方位に対して所定の角度で傾斜させる。すなわち、斜面41(例えば、側面46as及び側面46bs)の延在方向(第1方向D1)を、基板40の結晶方位に対して所定の角度で傾斜させる。このような斜面41から結晶成長させることで、窒化物半導体層15のc軸16は、第2方向D2に対して傾斜する。   In the embodiment, as will be described later, the extending direction of the recess 45 (first direction D1) is inclined at a predetermined angle with respect to the crystal orientation of the substrate 40. That is, the extending direction (first direction D1) of the inclined surface 41 (for example, the side surface 46as and the side surface 46bs) is inclined at a predetermined angle with respect to the crystal orientation of the substrate 40. By crystal growth from such a slope 41, the c-axis 16 of the nitride semiconductor layer 15 is inclined with respect to the second direction D2.

そして、斜面41は、第3方向D3に対して傾斜している。斜面41から成長した窒化物半導体層15において、c軸16は、第3方向D3に対して交差する。c軸16は、第3方向D3に対して傾斜する。   The inclined surface 41 is inclined with respect to the third direction D3. In the nitride semiconductor layer 15 grown from the inclined surface 41, the c-axis 16 intersects the third direction D3. The c-axis 16 is inclined with respect to the third direction D3.

このような基板40の斜面41(例えば、側面46as及び側面46bs)から結晶成長させることで、実施形態に係る窒化物半導体層15が得られる。   The nitride semiconductor layer 15 according to the embodiment is obtained by crystal growth from the inclined surface 41 (for example, the side surface 46as and the side surface 46bs) of the substrate 40.

基板40には、例えば、シリコン、サファイア、スピネル、GaAs、InP、ZnO、Ge、SiGe及び、SiCのいずれかが用いられる。例えば、基板40の格子定数が、窒化物半導体層15の格子定数とは異なる。基板40の熱膨張係数は、窒化物半導体層15の熱膨張係数とは異なる。   For the substrate 40, for example, any one of silicon, sapphire, spinel, GaAs, InP, ZnO, Ge, SiGe, and SiC is used. For example, the lattice constant of the substrate 40 is different from the lattice constant of the nitride semiconductor layer 15. The thermal expansion coefficient of the substrate 40 is different from the thermal expansion coefficient of the nitride semiconductor layer 15.

基板40が、窒化物半導体層15とは異なる格子定数及び熱膨張係数の少なくともいずれかを有するときには、基板40の反りが大きくなりやすい。基板40の反りが過度に大きくなると、クラックが生じやすい。   When the substrate 40 has at least one of a lattice constant and a thermal expansion coefficient different from those of the nitride semiconductor layer 15, the warp of the substrate 40 is likely to increase. If the warpage of the substrate 40 becomes excessively large, cracks are likely to occur.

一方、主面がc面の窒化物半導体層においては、ヘテロ構造を形成した場合に、大きな分極電界が生じ、装置の性能に影響を与える。主面がc面とは異なる面(半極性面または無極性面)である場合は、例えば、機能層に生じる内部電界が抑制され、装置の性能が向上する。しかしながら、半極性面や無極性面の結晶を、格子定数または熱膨張係数の異なる基板上に形成した場合には、基板の反りやクラックが特に発生しやすいことが分かった。   On the other hand, in the nitride semiconductor layer whose principal surface is the c-plane, when a heterostructure is formed, a large polarization electric field is generated, which affects the performance of the device. When the main surface is a surface (semipolar surface or nonpolar surface) different from the c-plane, for example, an internal electric field generated in the functional layer is suppressed, and the performance of the device is improved. However, it has been found that when a crystal of a semipolar plane or a nonpolar plane is formed on a substrate having a different lattice constant or thermal expansion coefficient, the substrate is likely to warp or crack.

本願発明者の検討によると、このような反りやクラックの発生は、窒化物半導体層の特性のX−Y平面内の異方性に依存することが分かった。例えば、窒化物半導体層において、a軸方向の熱膨張係数は、c軸方向の熱膨張係数とは異なる。このとき、半極性面や無極性面の結晶を用いた場合は、X−Y平面内に、a軸の成分とc軸の成分と、が存在する。このため、X−Y平面内の2つの方向の熱膨張係数が、互いに異なる。すなわち、熱膨張係数に面内の異方性が生じる。このため、反りにも異方性が生じ易くなる。1つの方向における反りが大きくなる。このため、特にクラックが生じやすくなる。   According to the study of the present inventor, it has been found that the occurrence of such warpage and cracks depends on the anisotropy in the XY plane of the characteristics of the nitride semiconductor layer. For example, in the nitride semiconductor layer, the thermal expansion coefficient in the a-axis direction is different from the thermal expansion coefficient in the c-axis direction. At this time, when a semipolar or nonpolar crystal is used, there are an a-axis component and a c-axis component in the XY plane. For this reason, the thermal expansion coefficients in the two directions in the XY plane are different from each other. That is, in-plane anisotropy occurs in the thermal expansion coefficient. For this reason, anisotropy also tends to occur in the warp. Warpage in one direction increases. For this reason, it becomes easy to produce a crack especially.

実施形態においては、窒化物半導体層15のc軸16は、第3方向D3と交差する。すなわち、窒化物半導体層として、半極性面または無極性面の窒化物半導体を用いる。これにより、内部電界が抑制される。例えば、機能層に生じる内部電界が抑制される。このとき、窒化物半導体層15のc軸16を、第1方向D1に対して傾斜させる。これにより、例えば、熱膨張係数の面内異方性が抑制される。これにより、反りが抑制され、クラックも抑制される。装置の特性を向上させつつ、生産において高い歩留まりが得られる。   In the embodiment, the c-axis 16 of the nitride semiconductor layer 15 intersects the third direction D3. That is, as the nitride semiconductor layer, a semipolar or nonpolar nitride semiconductor is used. Thereby, an internal electric field is suppressed. For example, an internal electric field generated in the functional layer is suppressed. At this time, the c-axis 16 of the nitride semiconductor layer 15 is inclined with respect to the first direction D1. Thereby, for example, in-plane anisotropy of the thermal expansion coefficient is suppressed. Thereby, a curvature is suppressed and a crack is also suppressed. A high yield can be obtained in production while improving the characteristics of the apparatus.

窒化物半導体層15は、複数の斜面41のそれぞれから成長した結晶が合体して形成される。複数の結晶のそれぞれが、複数の領域(例えば第1領域15a及び第2領域15bなど)のそれぞれとなる。これらの複数の領域の境界17において、結晶が合体する。結晶が合体する境界17においては、応力が生じる。例えば、境界17と交差する方向に引っ張り応力が生じる。もし、境界17において、熱膨張係数の異方性が大きい場合は、境界17において、1つの方向に大きな応力が加わる。その結果、反りやクラックが生じやすい。   The nitride semiconductor layer 15 is formed by combining crystals grown from each of the plurality of inclined surfaces 41. Each of the plurality of crystals becomes each of a plurality of regions (for example, the first region 15a and the second region 15b). Crystals coalesce at the boundaries 17 of these multiple regions. Stress is generated at the boundary 17 where the crystals merge. For example, a tensile stress is generated in a direction crossing the boundary 17. If the anisotropy of the thermal expansion coefficient is large at the boundary 17, a large stress is applied in one direction at the boundary 17. As a result, warpage and cracks are likely to occur.

本実施形態に係る窒化物半導体層15においては、2つの領域(例えば第1領域15a及び第2領域15b)の境界17の延在方向(第1方向D1)に対して、c軸16を傾斜させる。すなわち、第2方向D2に対して、c軸16を傾斜させる。これにより、境界17において生じる熱膨張係数の異方性を小さくできる。実施形態によれば、応力が緩和され、反りが抑制でき、クラックが抑制できる。   In the nitride semiconductor layer 15 according to the present embodiment, the c-axis 16 is inclined with respect to the extending direction (first direction D1) of the boundary 17 between two regions (for example, the first region 15a and the second region 15b). Let That is, the c-axis 16 is inclined with respect to the second direction D2. Thereby, the anisotropy of the thermal expansion coefficient which arises in the boundary 17 can be made small. According to the embodiment, stress is relaxed, warpage can be suppressed, and cracks can be suppressed.

実施形態によれば、高生産性の窒化物半導体層及び窒化物半導体装置が得られる。
熱膨張係数の異方性については、後述する。
According to the embodiment, a highly productive nitride semiconductor layer and nitride semiconductor device can be obtained.
The anisotropy of the thermal expansion coefficient will be described later.

図2は、第1の実施形態に係る窒化物半導体装置を例示する模式的断面図である。
図2に示した例では、窒化物半導体層15は、例えば、下地層50と、機能層10と、を含む。この例では、窒化物半導体層15は、バッファ層60をさらに含む。
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view illustrating the nitride semiconductor device according to the first embodiment.
In the example illustrated in FIG. 2, the nitride semiconductor layer 15 includes, for example, a foundation layer 50 and a functional layer 10. In this example, the nitride semiconductor layer 15 further includes a buffer layer 60.

基板40は、例えば、(113)面のシリコン基板である。   The substrate 40 is, for example, a (113) plane silicon substrate.

基板40は、複数の凹部45を有する。複数の凹部45のそれぞれには、複数の斜面41が設けられる。   The substrate 40 has a plurality of recesses 45. A plurality of slopes 41 are provided in each of the plurality of recesses 45.

基板40の一部(複数の斜面41)の上にバッファ層60が設けられる。バッファ層60の上に下地層50が設けられる。下地層50の上に機能層10が設けられる。基板40の上に、バッファ層60、下地層50、及び、機能層10がこの順で順次形成される。これらの形成においてエピタキシャル成長が行われる。バッファ層60、下地層50及び機能層10は、窒化物半導体である。   A buffer layer 60 is provided on a part of the substrate 40 (a plurality of inclined surfaces 41). A base layer 50 is provided on the buffer layer 60. The functional layer 10 is provided on the foundation layer 50. On the substrate 40, the buffer layer 60, the base layer 50, and the functional layer 10 are sequentially formed in this order. In these formations, epitaxial growth is performed. The buffer layer 60, the foundation layer 50, and the functional layer 10 are nitride semiconductors.

基板40の凹部45を除く上面40uに、マスク層64が設けられても良い。マスク層64には、例えば、酸化シリコン膜(SiO2)や窒化シリコン膜(SiN)が用いられる。マスク層64の上の少なくとも一部の上には、バッファ層60が設けられない場合がある。バッファ層60の上、及び、マスク層64の上に、下地層50が設けられる。 A mask layer 64 may be provided on the upper surface 40 u excluding the recess 45 of the substrate 40. For the mask layer 64, for example, a silicon oxide film (SiO 2) or a silicon nitride film (SiN x ) is used. The buffer layer 60 may not be provided on at least a part of the mask layer 64. An underlayer 50 is provided on the buffer layer 60 and the mask layer 64.

バッファ層60は、例えば、AlN層を含む。AlN層の厚さは、例えば約100ナノメートル(nm)である。AlN層は、基板40に接する。   The buffer layer 60 includes, for example, an AlN layer. The thickness of the AlN layer is, for example, about 100 nanometers (nm). The AlN layer is in contact with the substrate 40.

バッファ層60は、GaNを含んでも良い。バッファ層60としてGaNを用いる場合、GaN層の厚さは、例えば、約30nmである。バッファ層60には、窒化物半導体の混晶(例えば、AlGaNまたはInGaNなど)を用いても良い。   The buffer layer 60 may contain GaN. When GaN is used as the buffer layer 60, the thickness of the GaN layer is, for example, about 30 nm. The buffer layer 60 may be a nitride semiconductor mixed crystal (for example, AlGaN or InGaN).

AlNにおいては、シリコンとの化学的反応が生じにくい。基板40にシリコン基板を用いる場合、AlNをシリコン基板と接するバッファ層60として用いる。これにより、例えば、シリコンとガリウムとの反応によって生じるメルトバックエッチングなどが抑制される。   AlN hardly causes chemical reaction with silicon. When a silicon substrate is used as the substrate 40, AlN is used as the buffer layer 60 in contact with the silicon substrate. Thereby, for example, meltback etching caused by the reaction between silicon and gallium is suppressed.

バッファ層60において、AlN層は、単結晶であることが好ましい。AlNを1000℃以上の高温でエピタキシャル成長させることで、単結晶のAlN層を形成できる。   In the buffer layer 60, the AlN layer is preferably a single crystal. A single crystal AlN layer can be formed by epitaxially growing AlN at a high temperature of 1000 ° C. or higher.

シリコンと窒化物半導体との間の熱膨張係数の差は大きい。基板40としてシリコン基板を用いる場合、窒化物半導体との熱膨張係数差は、他の材料と比べて大きい。このため、エピタキシャル成長後に生じる基板40の反りが大きくなり、特にクラックが生じやすい。   The difference in thermal expansion coefficient between silicon and nitride semiconductor is large. When a silicon substrate is used as the substrate 40, the difference in thermal expansion coefficient from the nitride semiconductor is larger than that of other materials. For this reason, the warp of the substrate 40 generated after epitaxial growth becomes large, and cracks are particularly likely to occur.

例えば、単結晶のAlNのバッファ層60を用いることで、エピタキシャル成長中に窒化物半導体中に応力を形成することができる。これにより、成長終了後の基板40の反りを抑制できる。   For example, by using a single crystal AlN buffer layer 60, stress can be formed in the nitride semiconductor during epitaxial growth. Thereby, the curvature of the board | substrate 40 after completion | finish of growth can be suppressed.

バッファ層60(AlN層)には、引っ張り応力(歪み)が形成されていることが好ましい。AlN層に引っ張り応力(歪み)が形成されることで、基板40とバッファ層60との界面での欠陥形成が抑制される。   It is preferable that tensile stress (strain) is formed in the buffer layer 60 (AlN layer). By forming tensile stress (strain) in the AlN layer, defect formation at the interface between the substrate 40 and the buffer layer 60 is suppressed.

下地層50は、例えばGaN層を含む。下地層50は、インジウム(In)を含んでも良い。下地層50がInを含むことで、下地層50と基板40(例えばシリコン基板)との格子不整合が緩和され、転位の発生が抑制される。下地層50がInを含む場合、結晶成長中にInの脱離反応が発生しやすい。In組成比を0.5以下とすることが好ましい。これにより、平坦性の良い下地層50を得ることができる。   The underlayer 50 includes, for example, a GaN layer. The underlayer 50 may contain indium (In). When the underlayer 50 contains In, lattice mismatch between the underlayer 50 and the substrate 40 (for example, a silicon substrate) is alleviated, and the occurrence of dislocation is suppressed. When the underlayer 50 contains In, an In elimination reaction is likely to occur during crystal growth. The In composition ratio is preferably 0.5 or less. Thereby, the foundation layer 50 with good flatness can be obtained.

下地層50は、基板40の複数の凹部45の側面(斜面41)のそれぞれから選択的に成長される。隣接する凹部45の側面のそれぞれから成長された複数の結晶(GaN結晶)が会合する。複数の結晶が合体する。成長を続けると、GaN結晶の上面(第1面15f)は、平坦になり、基板40の上面40u(主面40a)に対して平行になる。   The underlayer 50 is selectively grown from each of the side surfaces (slope surfaces 41) of the plurality of recesses 45 of the substrate 40. A plurality of crystals (GaN crystals) grown from the side surfaces of the adjacent recesses 45 are associated. Multiple crystals coalesce. If the growth is continued, the upper surface (first surface 15f) of the GaN crystal becomes flat and becomes parallel to the upper surface 40u (main surface 40a) of the substrate 40.

例えば、基板40として、(113)面のシリコン基板を用いる場合には、窒化物半導体層15の(11−22)面が、第1面15fに対して平行になる。すなわち、(11−22)面が、基板40の上面40u(主面40a)に対して平行となる。このとき、窒化物半導体層15のc軸16と、第1面15fに対して垂直な軸(Z軸)と、の間の角度は、約58度である。すなわち、窒化物半導体層15のc軸16と、第1面15fと、の間の角度θ1は、約32度である。   For example, when a (113) plane silicon substrate is used as the substrate 40, the (11-22) plane of the nitride semiconductor layer 15 is parallel to the first plane 15f. That is, the (11-22) plane is parallel to the upper surface 40u (main surface 40a) of the substrate 40. At this time, the angle between the c-axis 16 of the nitride semiconductor layer 15 and the axis (Z-axis) perpendicular to the first surface 15f is about 58 degrees. That is, the angle θ1 between the c-axis 16 of the nitride semiconductor layer 15 and the first surface 15f is about 32 degrees.

このように、凹凸(複数の凹部45)が形成された基板40を用い、凹部45の側面上に、選択的に窒化物半導体結晶を成長させる。これにより、窒化物半導体層15(例えば下地層50)のc軸16は、基板40の上面40u(主面40a)に対して傾斜する。   In this way, a nitride semiconductor crystal is selectively grown on the side surface of the recess 45 using the substrate 40 having the recesses and projections (the plurality of recesses 45). Thereby, the c-axis 16 of the nitride semiconductor layer 15 (for example, the foundation layer 50) is inclined with respect to the upper surface 40u (main surface 40a) of the substrate 40.

機能層10におけるc軸は、下地層50におけるc軸に対して、実質的に平行である。従って、機能層10のc軸16は、第2方向D2に対して傾斜する。機能層10のc軸16は、第3方向D3(上面40uに対して垂直な方向)に対して傾斜する。   The c axis in the functional layer 10 is substantially parallel to the c axis in the base layer 50. Accordingly, the c-axis 16 of the functional layer 10 is inclined with respect to the second direction D2. The c-axis 16 of the functional layer 10 is inclined with respect to the third direction D3 (direction perpendicular to the upper surface 40u).

この例では、窒化物半導体装置110は、発光装置である。機能層10は、例えば、第1半導体層11と、活性層13(例えば発光層)と、第2半導体層12と、を含む。第2半導体層12と基板40との間に第1半導体層11が配置される。第2半導体層12は、第3方向D3において、第1半導体層11と離間している。第2半導体層12と第1半導体層11との間に活性層13が配置される。第1半導体層は第1導電形である。第2半導体層は第2導電形である。第1導電形は、例えばn形であり、第2導電形は、例えばp形である。   In this example, the nitride semiconductor device 110 is a light emitting device. The functional layer 10 includes, for example, a first semiconductor layer 11, an active layer 13 (for example, a light emitting layer), and a second semiconductor layer 12. The first semiconductor layer 11 is disposed between the second semiconductor layer 12 and the substrate 40. The second semiconductor layer 12 is separated from the first semiconductor layer 11 in the third direction D3. An active layer 13 is disposed between the second semiconductor layer 12 and the first semiconductor layer 11. The first semiconductor layer is of the first conductivity type. The second semiconductor layer is of the second conductivity type. The first conductivity type is, for example, n-type, and the second conductivity type is, for example, p-type.

活性層13は、複数の障壁層と、複数の障壁層の間に設けられた井戸層と、を含む。障壁層には、例えばGaNが用いられる。井戸層には、例えば、InGaN(例えば、In0.15Ga0.85N)が用いられる。活性層13は、MQW(Multi-Quantum Well)構造、または、SQW(Single-Quantum Well)構造を有する。機能層10の厚さは、例えば1マイクロメートル(μm)以上5μm以下であり、例えば約3.5μmである。機能層10の厚さは、例えば約2μmでも良い。 The active layer 13 includes a plurality of barrier layers and a well layer provided between the plurality of barrier layers. For example, GaN is used for the barrier layer. For example, InGaN (for example, In 0.15 Ga 0.85 N) is used for the well layer. The active layer 13 has an MQW (Multi-Quantum Well) structure or an SQW (Single-Quantum Well) structure. The thickness of the functional layer 10 is, for example, not less than 1 micrometer (μm) and not more than 5 μm, for example, about 3.5 μm. The thickness of the functional layer 10 may be about 2 μm, for example.

この例では、基板40の上に、第1半導体層11、活性層13及び第2半導体層12がこの順で積層されている。   In this example, the first semiconductor layer 11, the active layer 13, and the second semiconductor layer 12 are stacked in this order on the substrate 40.

この明細書において、積層されている状態は、互いに接して重ねられる状態、及び、間に他の層が挿入されて重ねられる状態を含む。上に設けられる状態は、直接接して設けられる状態、及び、間に他の層が挿入されて設けられる状態を含む。   In this specification, the state of being stacked includes a state of being stacked in contact with each other and a state of being stacked with another layer interposed therebetween. The state provided above includes a state provided in direct contact and a state provided with another layer interposed therebetween.

後述するように、窒化物半導体装置110において、基板40と、バッファ層60と、下地層50と、が除去された状態で使用される場合がある。   As will be described later, in the nitride semiconductor device 110, the substrate 40, the buffer layer 60, and the base layer 50 may be used in a state where they are removed.

例えば、機能層10の少なくとも一部(例えば第1半導体層11及び第2半導体層12の少なくともいずれか)における不純物濃度は、下地層50における不純物濃度よりも高い。   For example, the impurity concentration in at least a part of the functional layer 10 (for example, at least one of the first semiconductor layer 11 and the second semiconductor layer 12) is higher than the impurity concentration in the base layer 50.

図3(a)〜図3(c)は、第1の実施形態に係る窒化物半導体装置の製造方法を例示する工程順模式的断面図である。
図3(a)に示すように、基板40を用意する。例えば、基板40には、例えば、(113)面のシリコン基板が用いられる。シリコン基板のオリエンテーションフラットの方位は、例えば、<−110>方向である。シリコン基板の上に、マスク層64となる酸化シリコン膜64fが形成されている。酸化シリコン膜64fは、例えば、熱酸化膜である。酸化シリコン膜64fの厚さは、例えば、約100ナノメートル(nm)である。酸化シリコン膜64fの上に、所定の形状のレジスト膜65を形成する。レジスト膜65の形状は、例えば、ストライプ状である。ストライプの延在方向を、基板40の結晶方位に対して所定の角度で傾斜させる。ストライプの延在方向は、シリコンの<21−1>方向から、<110>方向に、所定の角度で傾斜する。傾斜の角度は、5度以上85度以下である。
FIG. 3A to FIG. 3C are schematic cross-sectional views in order of the processes, illustrating the method for manufacturing the nitride semiconductor device according to the first embodiment.
As shown in FIG. 3A, a substrate 40 is prepared. For example, as the substrate 40, for example, a (113) plane silicon substrate is used. The orientation of the orientation flat of the silicon substrate is, for example, the <−110> direction. A silicon oxide film 64f to be a mask layer 64 is formed on the silicon substrate. The silicon oxide film 64f is, for example, a thermal oxide film. The thickness of the silicon oxide film 64f is, for example, about 100 nanometers (nm). A resist film 65 having a predetermined shape is formed on the silicon oxide film 64f. The shape of the resist film 65 is, for example, a stripe shape. The extending direction of the stripe is inclined at a predetermined angle with respect to the crystal orientation of the substrate 40. The extending direction of the stripe is inclined at a predetermined angle from the <21-1> direction of silicon to the <110> direction. The angle of inclination is not less than 5 degrees and not more than 85 degrees.

レジスト膜65の幅(ストライプの延在方向に対して直交する方向の長さ)は、例えば約3μmである。レジスト膜65の開口部の幅(複数のストライプどうしの間隔)は、例えば約7μmである。ストライプの周期は、例えば約10μmである。   The width of the resist film 65 (the length in the direction orthogonal to the stripe extending direction) is, for example, about 3 μm. The width of the opening of the resist film 65 (interval between the plurality of stripes) is, for example, about 7 μm. The period of the stripe is about 10 μm, for example.

レジスト膜65をマスクとして、開口部の酸化シリコン膜64fを除去する。除去においては、例えば、バッファードフッ酸を用いたエッチングが行われる。除去の前に、O2アッシャ処理を行っても良い。親水性が向上し、エッチングの均一性が向上する。酸化シリコン膜64fの一部の除去の後に、レジスト膜65を除去する。これにより、マスク層64が形成される。   Using the resist film 65 as a mask, the silicon oxide film 64f in the opening is removed. In the removal, for example, etching using buffered hydrofluoric acid is performed. Prior to removal, O2 ashing may be performed. Hydrophilicity is improved and etching uniformity is improved. After removing part of the silicon oxide film 64f, the resist film 65 is removed. Thereby, the mask layer 64 is formed.

図3(b)に示すように、マスク層64をマスクとして用いて、基板40を加工する。すなわち、基板40に複数のストライプ状の凹部45を形成する。この加工においては、例えば、水酸化カリウム(KOH)溶液(25wt%、45℃)を用い、例えば15分間の処理が行われる。シリコンのエッチングレートの異方性により、凹部45の側面は、Z軸に対して傾斜する。すなわち、斜面41が形成される。シリコンをKOH溶液でエッチングする場合、シリコンの(111)面のエッチングレートが他の結晶面に比べて遅いため、シリコンの(111)面が斜面41として形成されやすい。この加工において、ドライエッチング処理を用いて斜面41を形成しても良い。   As shown in FIG. 3B, the substrate 40 is processed using the mask layer 64 as a mask. That is, a plurality of striped recesses 45 are formed in the substrate 40. In this processing, for example, a potassium hydroxide (KOH) solution (25 wt%, 45 ° C.) is used, and for example, a treatment for 15 minutes is performed. Due to the anisotropy of the etching rate of silicon, the side surface of the recess 45 is inclined with respect to the Z axis. That is, the slope 41 is formed. When silicon is etched with a KOH solution, the (111) plane of silicon is likely to be formed as the inclined surface 41 because the etching rate of the (111) plane of silicon is slower than other crystal planes. In this processing, the slope 41 may be formed using a dry etching process.

これにより、側面が傾斜した複数の凹部45を有する基板40が得られる。凹部45の側面(側壁)の一部は、シリコンの(1−11)面となる。この側面(斜面41)は、基板40の上面40uの(113)面に対して傾斜する。側面(斜面41)と、(113)面との間の角度は、約58.5度である。この斜面41(すなわち、(1−11)面)から窒化物結晶が成長される。側面(側壁)の一部は、(1−11)面に限らず、(11−1)面や(−11−1)面などの(111)面と等価な結晶面(ミラー指数の包括表現で{111}面で表される結晶面)であれば良い。シリコンの(111)面と等価な結晶面を形成することで、窒化物結晶の結晶成長が可能となる。   Thereby, the board | substrate 40 which has the some recessed part 45 in which the side surface inclined was obtained. A part of the side surface (side wall) of the recess 45 is a (1-11) surface of silicon. The side surface (inclined surface 41) is inclined with respect to the (113) surface of the upper surface 40u of the substrate 40. The angle between the side surface (inclined surface 41) and the (113) surface is about 58.5 degrees. A nitride crystal is grown from the slope 41 (that is, the (1-11) plane). A part of the side surface (side wall) is not limited to the (1-11) plane, but is a crystal plane equivalent to the (111) plane such as the (11-1) plane or the (-11-1) plane (a comprehensive expression of the Miller index) Or a crystal plane represented by {111} plane). By forming a crystal plane equivalent to the (111) plane of silicon, nitride crystal can be grown.

図3(c)に示すように、基板40の斜面41の上に、バッファ層60を形成する。さらに、バッファ層60の上に、下地層50を形成し、下地層50の上に、機能層10をエピタキシャル成長させる。エピタキシャル成長の例について、以下説明する。   As shown in FIG. 3C, the buffer layer 60 is formed on the slope 41 of the substrate 40. Further, the base layer 50 is formed on the buffer layer 60, and the functional layer 10 is epitaxially grown on the base layer 50. An example of epitaxial growth will be described below.

例えば、斜面41が形成された上記の基板40を、有機洗浄及び酸洗浄によって処理する。この後、基板40をMOCVD装置の反応室内に導入する。トリメチルアルミニウム(TMAl)及びアンモニア(NH)を用い、バッファ層60となるAlN層を形成する。バッファ層60の厚さは、約100nmである。 For example, the substrate 40 on which the inclined surface 41 is formed is processed by organic cleaning and acid cleaning. Thereafter, the substrate 40 is introduced into the reaction chamber of the MOCVD apparatus. An AlN layer to be the buffer layer 60 is formed using trimethylaluminum (TMAl) and ammonia (NH 3 ). The thickness of the buffer layer 60 is about 100 nm.

その後、窒素及び水素を含む雰囲気にて、TMGa及びアンモニアを用い、下地層50の一部となるアンドープのGaN層を成長させる。このときの成長温度は約1060℃であり、成長圧力は600hPaであり、V/III比は、3300である。このアンドープのGaN層は、凹部45の側面(側壁)である(1−11)面(すなわち斜面41)から成長する。   Thereafter, an undoped GaN layer to be a part of the base layer 50 is grown using TMGa and ammonia in an atmosphere containing nitrogen and hydrogen. At this time, the growth temperature is about 1060 ° C., the growth pressure is 600 hPa, and the V / III ratio is 3300. The undoped GaN layer grows from the (1-11) plane (that is, the inclined surface 41) which is the side surface (side wall) of the recess 45.

これにより、c軸16が基板40の上面40u(主面40a)に対して垂直な方向から58.5度傾斜したGaN結晶が得られる。すなわち、GaN層のc軸16と、上面40uと、の間の角度θ1は、31.5度である。   Thereby, a GaN crystal in which the c-axis 16 is inclined by 58.5 degrees from the direction perpendicular to the upper surface 40u (main surface 40a) of the substrate 40 is obtained. That is, the angle θ1 between the c-axis 16 of the GaN layer and the upper surface 40u is 31.5 degrees.

アンドープGaN層の成長初期では、アンドープGaN層は、ストライプ状の結晶である。成長時間を長くすることで、隣り合うストライプ状の結晶が会合する。これにより、アンドープGaN層の主面(表面)は、(11−22)面となる。   At the initial growth stage of the undoped GaN layer, the undoped GaN layer is a stripe crystal. By increasing the growth time, adjacent stripe crystals are associated. Thereby, the main surface (surface) of the undoped GaN layer becomes the (11-22) plane.

さらに結晶成長を続け、下地層50が形成される。この上に、第1半導体層11、活性層13及び第2半導体層12を形成して、機能層10が形成される。これにより、窒化物半導体装置110が得られる。   Further, the crystal growth is continued and the underlayer 50 is formed. On this, the 1st semiconductor layer 11, the active layer 13, and the 2nd semiconductor layer 12 are formed, and the functional layer 10 is formed. Thereby, the nitride semiconductor device 110 is obtained.

以下、窒化物半導体層15に関する実験結果の例について説明する。
この実験においては、基板40に形成される凹部45の延在方向(第1方向D1)を変更する。すなわち、レジスト膜65のストライプの延在方向を変更する。レジスト膜65のストライプの延在方向と、シリコンの<21−1>方向と、の角度を変更する。第1試料においては、レジスト膜65のストライプの延在方向は、シリコンの<21−1>方向に対して平行である(傾斜角度は0度)。第2試料においては、レジスト膜65のストライプの延在方向は、シリコンの<21−1>方向から、<110>方向に13度傾斜する(傾斜角度は13度)。第3試料においては、レジスト膜65のストライプの延在方向は、シリコンの<21−1>方向から、<110>方向に18度傾斜する(傾斜角度は18度)。
Hereinafter, an example of an experimental result regarding the nitride semiconductor layer 15 will be described.
In this experiment, the extending direction (first direction D1) of the recess 45 formed in the substrate 40 is changed. That is, the stripe extending direction of the resist film 65 is changed. The angle between the stripe extending direction of the resist film 65 and the <21-1> direction of silicon is changed. In the first sample, the stripe extending direction of the resist film 65 is parallel to the <21-1> direction of silicon (the tilt angle is 0 degree). In the second sample, the extending direction of the stripe of the resist film 65 is tilted 13 degrees in the <110> direction from the <21-1> direction of silicon (the tilt angle is 13 degrees). In the third sample, the stripe extending direction of the resist film 65 is inclined by 18 degrees in the <110> direction from the <21-1> direction of silicon (the inclination angle is 18 degrees).

第1〜第3試料においては、レジスト膜65の幅は、約3μmである。レジスト膜65の開口部の幅は、約7μmである。ストライプの周期は、約10μmである。   In the first to third samples, the width of the resist film 65 is about 3 μm. The width of the opening of the resist film 65 is about 7 μm. The period of the stripe is about 10 μm.

このような3種類の基板40の上に、バッファ層60としてAlN層を形成し、さらに、下地層50のGaN層を形成する。その際、GaN層の成長時間を変化させて、GaN層の成長の様子が観察される。成長時間が90分間のときに、GaN層の厚さは、約2μmである。   On these three types of substrates 40, an AlN layer is formed as the buffer layer 60, and a GaN layer as the underlayer 50 is further formed. At this time, the growth of the GaN layer is observed by changing the growth time of the GaN layer. When the growth time is 90 minutes, the thickness of the GaN layer is about 2 μm.

図4(a)〜図4(c)は、窒化物半導体装置に関する実験結果を例示する電子顕微鏡写真像である。
図4(a)〜図4(c)のそれぞれは、上記の第1試料SP10、第2試料SP20及び第3試料SP30のそれぞれに対応する。これらの電子顕微鏡写真は、基板40の上面40u(主面40a)に対して垂直な方向(第3方向D3)から観察したSEM像である。これらの例では、GaN層の成長時間が30分であり、GaN層の成長の途中の段階である。すなわち、凹部45の複数の側面のそれぞれから成長した複数の結晶が合体する前の状態である。
FIG. 4A to FIG. 4C are electron micrograph images illustrating experimental results regarding the nitride semiconductor device.
Each of FIG. 4A to FIG. 4C corresponds to each of the first sample SP10, the second sample SP20, and the third sample SP30. These electron micrographs are SEM images observed from a direction (third direction D3) perpendicular to the upper surface 40u (main surface 40a) of the substrate 40. In these examples, the growth time of the GaN layer is 30 minutes, which is a stage in the middle of the growth of the GaN layer. That is, it is a state before a plurality of crystals grown from each of the plurality of side surfaces of the recess 45 are combined.

図4(a)に示すように、基板40の凹部45と、上面40u(マスク層64)と、下地層50の一部となる成長初期のGaN層51と、が観察される。このGaN層51は、凹部45に沿ったストライプ状である。   As shown in FIG. 4A, the concave portion 45 of the substrate 40, the upper surface 40 u (mask layer 64), and the GaN layer 51 in the initial stage of growth that becomes a part of the foundation layer 50 are observed. The GaN layer 51 has a stripe shape along the recess 45.

第1試料SP10においては、凹部45の延在方向(第1方向D1)は、<21−1>方向に沿っている。この場合、GaN層51のc軸をX−Y平面(第1面15fすなわち、基板40の上面40u)に投影した方向16pは、凹部45の延在方向(第1方向D1)に対して垂直な方向(第2方向D2)に沿う。第1試料SP10においては、GaN層51のc軸は、凹部45の延在方向に対して垂直となる。GaN層51の表面において、稜線52(段差)が観察される。稜線52は、凹部45の延在方向(第1方向D1)に対して垂直な方向(第2方向D2)に沿う。稜線52は、結晶表面の凹凸に由来する。この稜線52の延在方向は、方向16pに沿っている。   In the first sample SP10, the extending direction of the recess 45 (first direction D1) is along the <21-1> direction. In this case, the direction 16p in which the c-axis of the GaN layer 51 is projected onto the XY plane (first surface 15f, that is, the upper surface 40u of the substrate 40) is perpendicular to the extending direction of the recess 45 (first direction D1). Along the other direction (second direction D2). In the first sample SP10, the c-axis of the GaN layer 51 is perpendicular to the extending direction of the recess 45. On the surface of the GaN layer 51, a ridgeline 52 (step) is observed. The ridge line 52 is along a direction (second direction D2) perpendicular to the extending direction (first direction D1) of the recess 45. The ridge line 52 is derived from irregularities on the crystal surface. The extending direction of the ridge line 52 is along the direction 16p.

図4(b)に示すように、第2試料SP20(傾斜角が13度)においては、GaN層51のc軸をX−Y平面に投影した方向16pは、凹部45の延在方向(第1方向D1)に対して垂直な方向(第2方向D2)に対して傾斜する。方向16pと第2方向D2との間の角度は、傾斜角と同じであり、13度である。稜線52の延在方向と、第2方向D2と、の間の角度は、13度である。   As shown in FIG. 4B, in the second sample SP20 (inclination angle of 13 degrees), the direction 16p obtained by projecting the c-axis of the GaN layer 51 onto the XY plane is the extending direction of the recess 45 (first It is inclined with respect to a direction (second direction D2) perpendicular to one direction D1). The angle between the direction 16p and the second direction D2 is the same as the tilt angle and is 13 degrees. The angle between the extending direction of the ridgeline 52 and the second direction D2 is 13 degrees.

図4(c)に示すように、第3試料SP30(傾斜角が18度)においても、GaN層51のc軸をX−Y平面に投影した方向16pは、凹部45の延在方向(第1方向D1)に対して垂直な方向(第2方向D2)に対して傾斜する。方向16pと第2方向D2との間の角度は、傾斜角と同じであり、18度である。稜線52の延在方向と、第2方向D2と、の間の角度は、18度である。   As shown in FIG. 4C, in the third sample SP30 (inclination angle of 18 degrees), the direction 16p in which the c-axis of the GaN layer 51 is projected on the XY plane is the extending direction of the recess 45 (first It is inclined with respect to a direction (second direction D2) perpendicular to one direction D1). The angle between the direction 16p and the second direction D2 is the same as the tilt angle and is 18 degrees. The angle between the extending direction of the ridge line 52 and the second direction D2 is 18 degrees.

図4(b)及び図4(c)に示す例と同様に、例えば、主面15fに対して垂直な方向(第3方向D3)から観察したSEM像において、稜線52の延在方向と第2方向D2との間の角度が分かる。この角度により、方向16pが第2方向D2に対して傾斜していることが判断できる。   Similar to the example shown in FIGS. 4B and 4C, for example, in the SEM image observed from the direction (third direction D3) perpendicular to the main surface 15f, the extension direction of the ridge line 52 and the first direction The angle between the two directions D2 is known. From this angle, it can be determined that the direction 16p is inclined with respect to the second direction D2.

図5(a)及び図5(b)は、窒化物半導体装置に関する実験結果を例示する電子顕微鏡写真像である。
図5(a)及び図5(b)は、以下の第4試料SP11及び第5試料SP31のそれぞれに対応する。これらの試料においては、レジスト膜65の幅は、約2.5μmである。レジスト膜65の開口部の幅は、約2.5μmである。ストライプの周期は、約5μmである。すなわち、第4試料SP11及び第5試料SP31においては、レジスト膜65のストライプの周期は、第1〜第3試料SP10〜SP30に比べて短い。
FIG. 5A and FIG. 5B are electron micrograph images illustrating experimental results regarding the nitride semiconductor device.
FIGS. 5A and 5B correspond to the following fourth sample SP11 and fifth sample SP31, respectively. In these samples, the width of the resist film 65 is about 2.5 μm. The width of the opening of the resist film 65 is about 2.5 μm. The period of the stripe is about 5 μm. That is, in the fourth sample SP11 and the fifth sample SP31, the stripe period of the resist film 65 is shorter than that of the first to third samples SP10 to SP30.

第4試料SP11においては、レジスト膜65のストライプの延在方向は、シリコンの<21−1>方向に対して平行である(傾斜角度は0度)。第5試料SP31においては、レジスト膜65のストライプの延在方向は、シリコンの<21−1>方向から、<110>方向に18度傾斜する(傾斜角度は18度)。   In the fourth sample SP11, the stripe extending direction of the resist film 65 is parallel to the <21-1> direction of silicon (the tilt angle is 0 degree). In the fifth sample SP31, the stripe extending direction of the resist film 65 is inclined by 18 degrees in the <110> direction from the <21-1> direction of silicon (the inclination angle is 18 degrees).

第4試料SP11及び第5試料SP31においては、GaN層51の成長時間は、60分であり、第1〜第3試料SP10〜SP30に比べて長い。   In the fourth sample SP11 and the fifth sample SP31, the growth time of the GaN layer 51 is 60 minutes, which is longer than that of the first to third samples SP10 to SP30.

図5(a)に示すように、第4試料SP11においては、成長時間を60分とすることで、隣り合うストライプ状のGaN結晶どうしが会合し、GaN層51(下地層50)が得られる。会合後に成長されたGaN層51の厚さは、約2.5μmである。GaN層51の主面(表面)は、(11−22)面である。このGaN層51を成長させた後に室温にすると、クラックCRが発生する。クラックCRの延在方向は、凹部45の延在方向(第1方向D1)に対して垂直である。クラックCRは、第2方向D2に沿って延在する。クラックCRは、複数のGaN結晶が合体する境界に対して垂直な方向に延在する。第1方向D1に沿うクラックは、観察されない。複数のクラックCRの間隔(第1方向D1における間隔)は、約500μmである。   As shown in FIG. 5A, in the fourth sample SP11, by setting the growth time to 60 minutes, adjacent stripe-shaped GaN crystals are associated with each other, and the GaN layer 51 (underlayer 50) is obtained. . The thickness of the GaN layer 51 grown after the association is about 2.5 μm. The main surface (surface) of the GaN layer 51 is the (11-22) plane. When the GaN layer 51 is grown and then brought to room temperature, a crack CR is generated. The extending direction of the crack CR is perpendicular to the extending direction of the recess 45 (first direction D1). The crack CR extends along the second direction D2. The crack CR extends in a direction perpendicular to a boundary where a plurality of GaN crystals are combined. Cracks along the first direction D1 are not observed. The interval between the plurality of cracks CR (interval in the first direction D1) is about 500 μm.

図5(b)に示すように、第5試料SP31においても、成長時間を60分とすることで、隣り合うストライプ状のGaN結晶どうしが会合し、GaN層51(下地層50)が得られる。GaN層51の主面(表面)は、(11−22)面である。このGaN層51を成長させた後に室温にしても、クラックCRは観測されない。   As shown in FIG. 5B, also in the fifth sample SP31, by setting the growth time to 60 minutes, adjacent striped GaN crystals are associated with each other, and the GaN layer 51 (underlayer 50) is obtained. . The main surface (surface) of the GaN layer 51 is the (11-22) plane. Even if the GaN layer 51 is grown and then brought to room temperature, no crack CR is observed.

このように、凹部45の延在方向(第1方向D1)を、基板40の結晶方位に対して所定の角度で傾斜させることで、クラックCRが抑制できる。この例では、凹部45の延在方向を、基板40の<2−11>方向から傾斜させる。GaN層51のc軸の方位を、基板40の上面40u(主面40a)に対して平行な面内(X−Y面内)で回転できる。c軸の方位を、凹部45の延在方向に対して垂直な方向(第2方向D2)から回転することで、クラックCRが抑制できる。   In this way, the crack CR can be suppressed by inclining the extending direction of the recess 45 (first direction D1) at a predetermined angle with respect to the crystal orientation of the substrate 40. In this example, the extending direction of the recess 45 is inclined from the <2-11> direction of the substrate 40. The azimuth of the c-axis of the GaN layer 51 can be rotated in a plane parallel to the upper surface 40u (main surface 40a) of the substrate 40 (in the XY plane). By rotating the azimuth of the c-axis from the direction (second direction D2) perpendicular to the extending direction of the recess 45, the crack CR can be suppressed.

図6(a)〜図6(d)は、窒化物半導体装置の特性を例示するグラフ図である。
図6(a)は、基板40の凹部45の延在方向(第1方向D1)を変えたときの、シリコン基板とGaN層との熱膨張係数の差を例示している。シリコン基板の主面は、(113)面である。GaN層の主面は、(11−22)面である。横軸は、第1方向D1と、シリコンの<21−1>方向と、の間の角度(傾斜角α)である。縦軸は、熱膨張係数差ΔCである。熱膨張係数差ΔCは、基板40の上面40u(主面40a)に対して平行な2つの方向で異なる。差ΔC1は、凹部45の延在方向(第1方向D1)における熱膨張係数の差である。差ΔC2は、凹部45の延在方向に対して垂直な方向(第2方向D2)における熱膨張係数の差である。傾斜角αは、方向16pと第2方向D2との間の角度に対応する。
FIG. 6A to FIG. 6D are graphs illustrating characteristics of the nitride semiconductor device.
FIG. 6A illustrates the difference in thermal expansion coefficient between the silicon substrate and the GaN layer when the extending direction of the recess 45 of the substrate 40 (first direction D1) is changed. The main surface of the silicon substrate is the (113) surface. The main surface of the GaN layer is the (11-22) plane. The horizontal axis is an angle (inclination angle α) between the first direction D1 and the <21-1> direction of silicon. The vertical axis represents the thermal expansion coefficient difference ΔC. The difference in thermal expansion coefficient ΔC differs in two directions parallel to the upper surface 40u (main surface 40a) of the substrate 40. The difference ΔC1 is a difference in thermal expansion coefficient in the extending direction of the recess 45 (first direction D1). The difference ΔC2 is a difference in thermal expansion coefficient in a direction perpendicular to the extending direction of the recess 45 (second direction D2). The inclination angle α corresponds to the angle between the direction 16p and the second direction D2.

図6(b)は、基板40の凹部45の延在方向(第1方向D1)を変えたときの、シリコン基板とGaN層との熱膨張係数の差を例示している。シリコン基板の主面は、(001)面である。GaN層の主面は、(10−11)面である。の場合、c軸16とGaN層の主面との間の角度θ1は、約32度である。横軸は、第1方向D1とシリコンの<−110>方向と、の間の角度(傾斜角α)である。縦軸は、熱膨張係数差ΔCである。 FIG. 6B illustrates the difference in thermal expansion coefficient between the silicon substrate and the GaN layer when the extending direction of the recess 45 of the substrate 40 (first direction D1) is changed. The main surface of the silicon substrate is the (001) plane. The main surface of the GaN layer is a (10-11) plane. In this case, the angle θ1 between the main surface of the c-axis 16 and the GaN layer is about 32 degrees. The horizontal axis is an angle (inclination angle α) between the first direction D1 and the <−110> direction of silicon. The vertical axis represents the thermal expansion coefficient difference ΔC.

図6(c)は、基板40の凹部45の延在方向(第1方向D1)を変えたときの、シリコン基板とGaN層との熱膨張係数の差を例示している。シリコン基板の主面は、(110)面である。GaN層の主面は、(11−20)面である。この場合、c軸16とGaN層の主面との間の角度θ1は、約0度である。横軸は、第1方向D1とシリコンの<−112>方向と、の間の角度(傾斜角α)である。縦軸は、熱膨張係数差ΔCである。   FIG. 6C illustrates the difference in thermal expansion coefficient between the silicon substrate and the GaN layer when the extending direction (first direction D1) of the recess 45 of the substrate 40 is changed. The main surface of the silicon substrate is the (110) plane. The main surface of the GaN layer is the (11-20) plane. In this case, the angle θ1 between the c-axis 16 and the main surface of the GaN layer is about 0 degree. The horizontal axis is the angle (tilt angle α) between the first direction D1 and the <−112> direction of silicon. The vertical axis represents the thermal expansion coefficient difference ΔC.

図6(d)は、基板40の凹部45の延在方向(第1方向D1)を変えたときの、シリコン基板とGaN層との熱膨張係数の差を例示している。シリコン基板の主面は、(112)面である。GaN層の主面は(10−10)面である。この場合、c軸16とGaN層の主面との間の角度θ1は、約0度である。横軸は、第1方向D1とシリコンの<−110>方向と、の間の角度(傾斜角α)である。縦軸は、熱膨張係数差ΔCである。   FIG. 6D illustrates the difference in thermal expansion coefficient between the silicon substrate and the GaN layer when the extending direction of the recess 45 of the substrate 40 (first direction D1) is changed. The main surface of the silicon substrate is the (112) surface. The main surface of the GaN layer is a (10-10) plane. In this case, the angle θ1 between the c-axis 16 and the main surface of the GaN layer is about 0 degree. The horizontal axis is an angle (inclination angle α) between the first direction D1 and the <−110> direction of silicon. The vertical axis represents the thermal expansion coefficient difference ΔC.

シリコンの熱膨張係数は、例えば、3.59×10−6(/K)である。GaNのa軸方向の熱膨張係数は、例えば、5.59×10−6(/K)である。GaNのc軸方向の熱膨張係数は、例えば、3.17×10−6(/K)である。傾斜角αを変えることで、第1方向D1における、GaNのa軸方向の成分及びc軸方向の成分の大きさが変化する。連動して、第2方向D2における、GaNのa軸方向の成分及びc軸方向の成分の大きさが変化する。 The thermal expansion coefficient of silicon is, for example, 3.59 × 10 −6 (/ K). The thermal expansion coefficient of GaN in the a-axis direction is, for example, 5.59 × 10 −6 (/ K). The thermal expansion coefficient in the c-axis direction of GaN is, for example, 3.17 × 10 −6 (/ K). By changing the inclination angle α, the magnitude of the component in the a-axis direction and the component in the c-axis direction of GaN in the first direction D1 changes. In conjunction with this, the magnitudes of the component in the a-axis direction and the component in the c-axis direction of GaN in the second direction D2 change.

図6(a)において、傾斜角αが0度の場合は、凹部45の延在方向(第1方向D1)が、<21−1>方向に沿う場合に対応する。この場合には、熱膨張係数の差ΔC1は、約56%と大きい。このため、第1方向D1に対して直交する第2方向D2に沿って、クラックCRが生じると考えられる。   In FIG. 6A, when the inclination angle α is 0 degree, this corresponds to the case where the extending direction of the recess 45 (first direction D1) is along the <21-1> direction. In this case, the thermal expansion coefficient difference ΔC1 is as large as about 56%. For this reason, it is thought that the crack CR occurs along the second direction D2 orthogonal to the first direction D1.

傾斜角αが0度の場合において、熱膨張係数の差ΔC2の絶対値は、約2%と小さい。このため、第1方向D1に沿ったクラックは生じ難いと考えられる。   When the inclination angle α is 0 degree, the absolute value of the difference ΔC2 in the thermal expansion coefficient is as small as about 2%. For this reason, it is thought that the crack along the 1st direction D1 does not produce easily.

シリコンの熱膨張係数は、GaNのa軸方向の熱膨張係数と、GaNのc軸方向の熱膨張係数と、の間である。このため、積層方向(第3方向D3)に対してc軸を傾斜させることで、GaNのa軸とシリコンとの間の熱膨張係数差と、GaNのc軸とシリコンとの間の熱膨張係数差と、が互いに補償するように作用する。その結果、熱膨張係数差の総和が小さくなる。その結果、凹部45の延在方向に対して垂直な方向には、クラックが生じ難いと考えられる。   The thermal expansion coefficient of silicon is between the thermal expansion coefficient of GaN in the a-axis direction and the thermal expansion coefficient of GaN in the c-axis direction. For this reason, by inclining the c-axis with respect to the stacking direction (third direction D3), the difference in thermal expansion coefficient between the a-axis of GaN and silicon and the thermal expansion between the c-axis of GaN and silicon. The coefficient difference acts to compensate each other. As a result, the sum of the differences in thermal expansion coefficients is reduced. As a result, it is considered that cracks hardly occur in a direction perpendicular to the extending direction of the recess 45.

図6(a)に示すように、傾斜角αが大きいと、差ΔC1は小さくなる。これは、GaNのc軸を第1方向D1に投影した成分が大きくなるためである。傾斜角αが18度の場合は、差ΔC1は、約48%となる。すなわち、傾斜角αが0度の場合に比べて、差ΔC1は、10%程度小さくなる。これにより、クラックの形成が抑制されると考えられる。   As shown in FIG. 6A, when the inclination angle α is large, the difference ΔC1 is small. This is because the component obtained by projecting the c-axis of GaN in the first direction D1 becomes large. When the inclination angle α is 18 degrees, the difference ΔC1 is about 48%. That is, the difference ΔC1 is smaller by about 10% than when the inclination angle α is 0 degree. Thereby, it is thought that formation of a crack is suppressed.

一方、傾斜角αが18度の場合、差ΔC2は、増大し、約4%となる。すなわち、熱膨張係数差の異方性(差ΔC1と差ΔC2との間の差)が小さくなる。これにより、反りの異方性が抑制される。   On the other hand, when the inclination angle α is 18 degrees, the difference ΔC2 increases to about 4%. That is, the anisotropy of the difference in thermal expansion coefficient (the difference between the difference ΔC1 and the difference ΔC2) is reduced. Thereby, the anisotropy of curvature is suppressed.

図6(b)〜図6(d)においても、同様に、傾斜角αが大きいと、差ΔC1は小さくなる。一方、差ΔC2は増大し、熱膨張係数差の異方性(差ΔC1と差ΔC2との間の差)が小さくなる。傾斜角αを大きくすることで、第2方向D2に沿った反りやクラックCRを抑制できる。   Similarly, in FIGS. 6B to 6D, the difference ΔC1 decreases as the inclination angle α increases. On the other hand, the difference ΔC2 increases and the anisotropy of the difference in thermal expansion coefficient (the difference between the difference ΔC1 and the difference ΔC2) decreases. By increasing the inclination angle α, warpage and cracks CR along the second direction D2 can be suppressed.

傾斜角αは、5度以上85度以下であることが好ましい。傾斜角αが5度よりも小さい、または85度よりも大きい場合には、熱膨張係数差(差ΔC1及び差ΔC2)の、傾斜角αが0度のときの値からの変化が1%未満である。このため、反りやクラックの抑制の効果が不十分である。傾斜角αは、13度以上がさらに好ましい。熱膨張係数差の異方性が小さくなり、クラックが抑制される。傾斜角αは、45度以下がさらに好ましい。窒化物結晶がc軸配向成長しやすくなり、結晶性が高くなる。傾斜角αは、c軸16をGaN層の主面に投影した方向と、第2方向D2と、の間の角度に対応する。   The inclination angle α is preferably 5 degrees or greater and 85 degrees or less. When the inclination angle α is smaller than 5 degrees or larger than 85 degrees, the change in thermal expansion coefficient difference (difference ΔC1 and difference ΔC2) from the value when the inclination angle α is 0 degrees is less than 1%. It is. For this reason, the effect of suppressing warpage and cracks is insufficient. The inclination angle α is more preferably 13 degrees or more. Anisotropy of the difference in thermal expansion coefficient is reduced, and cracks are suppressed. The inclination angle α is more preferably 45 degrees or less. Nitride crystals are easily grown in c-axis orientation and the crystallinity is increased. The inclination angle α corresponds to the angle between the direction in which the c-axis 16 is projected onto the main surface of the GaN layer and the second direction D2.

このように、窒化物半導体層15のc軸16のX−Y平面に投影した方向を、第2方向D2に対して傾斜させることで、熱膨張係数差の異方性が抑制できる。これにより、基板40の反りが抑制できる。クラックCRを抑制できる。   Thus, the anisotropy of the thermal expansion coefficient difference can be suppressed by inclining the direction projected on the XY plane of the c-axis 16 of the nitride semiconductor layer 15 with respect to the second direction D2. Thereby, the curvature of the board | substrate 40 can be suppressed. Crack CR can be suppressed.

実施形態において、窒化物半導体層15のc軸16は、第3方向D3(すなわち、積層方向)に対して傾斜する。これにより、窒化物半導体層15に生じる内部電界を抑制でき、特性が向上できる。例えば、窒化物半導体層15を用いた発光装置において、発光効率が向上できる。特性の向上とともに、反りを抑制し、クラックを抑制し、高い生産性が得られる。   In the embodiment, the c-axis 16 of the nitride semiconductor layer 15 is inclined with respect to the third direction D3 (that is, the stacking direction). Thereby, the internal electric field generated in the nitride semiconductor layer 15 can be suppressed, and the characteristics can be improved. For example, in the light emitting device using the nitride semiconductor layer 15, the light emission efficiency can be improved. Along with improved characteristics, warpage is suppressed, cracks are suppressed, and high productivity is obtained.

図7(a)〜図7(d)は、窒化物半導体装置を例示する電子顕微鏡写真像及び模式図である。
図7(d)は、上記の第3試料SP30の基板40を例示する模式的平面図である。図7(a)〜図7(c)は、図7(d)のA1−A2線断面の電子顕微鏡写真像である。
FIG. 7A to FIG. 7D are an electron micrograph image and a schematic view illustrating a nitride semiconductor device.
FIG. 7D is a schematic plan view illustrating the substrate 40 of the third sample SP30. Fig.7 (a)-FIG.7 (c) are the electron micrograph images of the A1-A2 line cross section of FIG.7 (d).

図7(d)に示すように、基板40は、シリコンのウェーハであり、オリエンテーションフラット47を有する。オリエンテーションフラット47と、凹部45の延在方向(第1方向D1)との間の角度βは、約17度である。   As shown in FIG. 7D, the substrate 40 is a silicon wafer and has an orientation flat 47. The angle β between the orientation flat 47 and the extending direction of the recess 45 (first direction D1) is about 17 degrees.

図7(a)〜図7(c)に示すように、複数の凹部45が形成される。凹部45は溝状である。基板40の上面40uと、側面46asの下端と、の距離d1は、約2.7μmである。基板40の上面40uと、側面46arの下端と、の距離d2は、約2.2μmである。基板40の上面40uには、マスク層64のシリコン酸化膜が形成されている。   As shown in FIGS. 7A to 7C, a plurality of recesses 45 are formed. The recess 45 has a groove shape. The distance d1 between the upper surface 40u of the substrate 40 and the lower end of the side surface 46as is about 2.7 μm. The distance d2 between the upper surface 40u of the substrate 40 and the lower end of the side surface 46ar is about 2.2 μm. A silicon oxide film of the mask layer 64 is formed on the upper surface 40 u of the substrate 40.

実施形態において、基板40に設けられる複数の凹部45のそれぞれの深さは、0.3μm以上3μm以下であることが好ましい。さらに好ましくは、0.5μm以上0.9μm以下である。凹部45の深さは、距離d1である。これにより底面46atからの成長が抑制され、側面46asからの成長が支配的になりやすく、窒化物結晶の成長の選択性が向上する。   In the embodiment, the depth of each of the plurality of recesses 45 provided in the substrate 40 is preferably 0.3 μm or more and 3 μm or less. More preferably, it is 0.5 μm or more and 0.9 μm or less. The depth of the recess 45 is a distance d1. Thereby, the growth from the bottom surface 46at is suppressed, the growth from the side surface 46as is likely to be dominant, and the selectivity of the growth of the nitride crystal is improved.

複数の凹部45のそれぞれの間の上面40uの第2方向D2の長さL1(レジスト膜65の幅に対応)は、約1μmである。複数の凹部45のそれぞれの深さ(距離d2)は、上面40uの第2方向D2の長さL1の0.3倍以上3倍以下である。これにより、側面46asからのGaN層の成長が支配的になりやすく、メルトバックエッチングが抑制されやすくなる。さらに好ましくは、0.5倍以上0.9倍以下である。窒化物結晶の成長の結晶性が向上する。   The length L1 (corresponding to the width of the resist film 65) in the second direction D2 of the upper surface 40u between each of the plurality of recesses 45 is about 1 μm. Each depth (distance d2) of the plurality of recesses 45 is not less than 0.3 times and not more than 3 times the length L1 of the upper surface 40u in the second direction D2. Thereby, the growth of the GaN layer from the side surface 46as is likely to be dominant, and the meltback etching is likely to be suppressed. More preferably, it is 0.5 times or more and 0.9 times or less. The crystallinity of nitride crystal growth is improved.

図8(a)〜図8(d)は、窒化物半導体装置を例示する電子顕微鏡写真像である。
これらの図は、第3試料SP30の基板40を用いて、窒化物半導体層15(GaN層51)を成長させた試料の電子顕微鏡写真像である。図8(b)〜図8(d)は、図8(a)に示す部分p1、部分p2及び部分p3のそれぞれの拡大像である。
FIG. 8A to FIG. 8D are electron micrograph images illustrating a nitride semiconductor device.
These figures are electron micrograph images of a sample in which the nitride semiconductor layer 15 (GaN layer 51) is grown using the substrate 40 of the third sample SP30. FIGS. 8B to 8D are enlarged images of the part p1, the part p2, and the part p3 shown in FIG. 8A.

基板40の凹部45の内側の表面にバッファ層60(AlN層)が成長する。窒化物結晶の結晶成長において、凹部45の内部に原料ガスが進入(気相拡散)する。これにより、凹部45の側面46as、側面46ar、及び、底面46atの上にAlN層が成長する。
凹部45の深さが深くなりすぎると、原料ガスが侵入(気相拡散)せず、底面46atの上にAlN層が成長しにくくなる。この場合には、凹部45の底面46atからメルトバックエッチングが生じやすくなる。そのため、凹部45の深さは、AlN層が成長する深さであることが好ましい。凹部45の深さは、0.3μm以上3μm以下であることが好ましい。
A buffer layer 60 (AlN layer) grows on the inner surface of the recess 45 of the substrate 40. In the crystal growth of the nitride crystal, the source gas enters (gas phase diffusion) into the recess 45. Thereby, an AlN layer grows on the side surface 46as, the side surface 46ar, and the bottom surface 46at of the recess 45.
When the depth of the recess 45 becomes too deep, the source gas does not enter (gas phase diffusion), and the AlN layer is difficult to grow on the bottom surface 46at. In this case, meltback etching is likely to occur from the bottom surface 46at of the recess 45. Therefore, it is preferable that the depth of the recess 45 is a depth at which the AlN layer grows. The depth of the recess 45 is preferably 0.3 μm or more and 3 μm or less.

そして、このAlN層の上にGaN層51が成長する。図8(a)において、AlN層の被覆性は良好であり、AlN層によりシリコンが覆われる。GaN層51と基板40(シリコン)との間でメルトバックエッチングは、生じていない。シリコンの基板40に接して、AlN層を形成することが望ましい。図8(a)に示すように、側面46asの下端と、の距離d1は、約2.8μmである。基板40の上面40uと、側面46arの下端と、の距離d2は、約2.3μmである。複数の凹部45のそれぞれの深さ(距離d2)は、上面40uの第2方向D2の長さL1の約3倍である。底面46atからの成長が抑制され、側面46asからの成長が支配的となる。凹部45の深さが浅くなりすぎると、底面46atからの成長が生じ、側面46asからの成長が阻害され、結晶品質が低下する。   A GaN layer 51 is grown on the AlN layer. In FIG. 8A, the coverage of the AlN layer is good, and silicon is covered with the AlN layer. Melt back etching does not occur between the GaN layer 51 and the substrate 40 (silicon). It is desirable to form an AlN layer in contact with the silicon substrate 40. As shown in FIG. 8A, the distance d1 from the lower end of the side surface 46as is about 2.8 μm. The distance d2 between the upper surface 40u of the substrate 40 and the lower end of the side surface 46ar is about 2.3 μm. The depth (distance d2) of each of the plurality of recesses 45 is about three times the length L1 of the upper surface 40u in the second direction D2. Growth from the bottom surface 46at is suppressed, and growth from the side surface 46as becomes dominant. If the depth of the recess 45 becomes too shallow, growth from the bottom surface 46at occurs, growth from the side surface 46as is hindered, and crystal quality deteriorates.

図9(a)〜図9(j)は、窒化物半導体装置を例示する電子顕微鏡写真像及び模式的斜視図である。
図9(b)、図9(c)、図9(e)、図9(g)、図9(i)の例において、図中の点線は側面46asを示している。これら例においては、側面46asは、シリコンの{111}面に実質的に対応する。
図9(a)及び図9(b)の例では、基板40の上面40uは、シリコンの(111)面である。この時、窒化物半導体層15(例えばGaN層51)のc軸16は、基板40の上面40uに対して実質的に垂直である。窒化物半導体層15のc面は、上面40uに対して実質的に平行である。
FIG. 9A to FIG. 9J are an electron micrograph image and a schematic perspective view illustrating a nitride semiconductor device.
In the examples of FIG. 9B, FIG. 9C, FIG. 9E, FIG. 9G, and FIG. 9I, the dotted line in the figure indicates the side surface 46as. In these examples, the side surface 46as substantially corresponds to the {111} plane of silicon.
In the example of FIGS. 9A and 9B, the upper surface 40u of the substrate 40 is a (111) surface of silicon. At this time, the c-axis 16 of the nitride semiconductor layer 15 (for example, the GaN layer 51) is substantially perpendicular to the upper surface 40u of the substrate 40. The c-plane of the nitride semiconductor layer 15 is substantially parallel to the upper surface 40u.

図9(c)及び図9(d)の例では、基板40の上面40uは、シリコンの(112)面である。この時、窒化物半導体層15(例えばGaN層51)のc軸16は、基板40の上面40uに対して平行である。窒化物半導体層15のm面((10−10)面)は、上面40uに対して実質的に平行である。   In the examples of FIGS. 9C and 9D, the upper surface 40u of the substrate 40 is a (112) surface of silicon. At this time, the c-axis 16 of the nitride semiconductor layer 15 (for example, the GaN layer 51) is parallel to the upper surface 40u of the substrate 40. The m-plane ((10-10) plane) of the nitride semiconductor layer 15 is substantially parallel to the upper surface 40u.

図9(e)及び図9(f)の例では、基板40の上面40uは、シリコンの(113)面である。この時、窒化物半導体層15(例えばGaN層51)のc軸16は、基板40の上面40uに対して傾斜する。窒化物半導体層15の(11−22)面は、上面40uに対して実質的に平行である。   In the example of FIGS. 9E and 9F, the upper surface 40u of the substrate 40 is a (113) surface of silicon. At this time, the c-axis 16 of the nitride semiconductor layer 15 (for example, the GaN layer 51) is inclined with respect to the upper surface 40u of the substrate 40. The (11-22) plane of the nitride semiconductor layer 15 is substantially parallel to the upper surface 40u.

図9(g)及び図9(h)の例では、基板40の上面40uは、シリコンの(001)面である。この時、窒化物半導体層15(例えばGaN層51)のc軸16は、基板40の上面40uに対して傾斜する。窒化物半導体層15の(10−11)面は、上面40uに対して実質的に平行である。   In the example of FIGS. 9G and 9H, the upper surface 40u of the substrate 40 is a (001) surface of silicon. At this time, the c-axis 16 of the nitride semiconductor layer 15 (for example, the GaN layer 51) is inclined with respect to the upper surface 40u of the substrate 40. The (10-11) plane of the nitride semiconductor layer 15 is substantially parallel to the upper surface 40u.

図9(i)及び図9(j)の例では、基板40の上面40uは、シリコンの(110)面である。この時、窒化物半導体層15(例えばGaN層51)のc軸16は、基板40の上面40uに対して実質的に平行である。窒化物半導体層15のa面((11−20)面)は、上面40uに対して実質的に平行である。   9 (i) and 9 (j), the upper surface 40u of the substrate 40 is a (110) surface of silicon. At this time, the c-axis 16 of the nitride semiconductor layer 15 (for example, the GaN layer 51) is substantially parallel to the upper surface 40u of the substrate 40. The a-plane ((11-20) plane) of the nitride semiconductor layer 15 is substantially parallel to the upper surface 40u.

このように、基板40として用いるシリコン基板の面方位を変えることで、窒化物半導体層15の上面(第1面15f)の面方位、及び、c軸16の方向が、制御できる。   Thus, by changing the plane orientation of the silicon substrate used as the substrate 40, the plane orientation of the upper surface (first surface 15f) of the nitride semiconductor layer 15 and the direction of the c-axis 16 can be controlled.

既に説明したように、例えば、(113)面のシリコン基板を用いる場合には、窒化物半導体層15の(11−22)面が、基板40の上面40uに対して平行になる。このとき、窒化物半導体層15のc軸16と、基板40の上面40uに対して垂直な軸と、の間の角度は、約58度である。言い換えれば、c軸16と第1面15fとの間の角度θ1は、約32度である。   As already described, for example, when a (113) plane silicon substrate is used, the (11-22) plane of the nitride semiconductor layer 15 is parallel to the upper surface 40 u of the substrate 40. At this time, the angle between the c-axis 16 of the nitride semiconductor layer 15 and the axis perpendicular to the upper surface 40 u of the substrate 40 is about 58 degrees. In other words, the angle θ1 between the c-axis 16 and the first surface 15f is about 32 degrees.

例えば、基板40として、(001)面で、<110>方向に向かって約8度傾斜させたシリコン基板を用いても良い。この場合には、窒化物半導体層15の(10−11)面が、基板40の上面40uに対して平行になる。このとき、窒化物半導体層15のc軸16と、基板40の上面40uに対して垂直な軸と、の間の角度は、約62度である。c軸16と第1面15fとの間の角度θ1は、約28度である。   For example, as the substrate 40, a silicon substrate inclined by about 8 degrees toward the <110> direction on the (001) plane may be used. In this case, the (10-11) plane of the nitride semiconductor layer 15 is parallel to the upper surface 40 u of the substrate 40. At this time, the angle between the c-axis 16 of the nitride semiconductor layer 15 and the axis perpendicular to the upper surface 40 u of the substrate 40 is about 62 degrees. The angle θ1 between the c-axis 16 and the first surface 15f is about 28 degrees.

例えば、基板40として、(112)面のシリコン基板を用いても良い。この場合には、窒化物半導体層15の(10−10)面が、基板40の上面40uに対して平行になる。このとき、窒化物半導体層15のc軸16と、基板40の上面40uと、の間の角度は、実質的に0度である。c軸16と第1面15fとの間の角度θ1は、実質的に0度である。   For example, a (112) plane silicon substrate may be used as the substrate 40. In this case, the (10-10) plane of the nitride semiconductor layer 15 is parallel to the upper surface 40 u of the substrate 40. At this time, the angle between the c-axis 16 of the nitride semiconductor layer 15 and the upper surface 40u of the substrate 40 is substantially 0 degree. The angle θ1 between the c-axis 16 and the first surface 15f is substantially 0 degree.

例えば、基板40として、(110)面のシリコン基板を用いても良い。この場合には、窒化物半導体層15の(11−20)面が、基板40の上面40uに対して平行になる。このとき、窒化物半導体層15のc軸16と、基板40の上面40uと、の間の角度は、実質的に0度である。c軸16と第1面15fとの間の角度θ1は、実質的に0度である。   For example, a (110) plane silicon substrate may be used as the substrate 40. In this case, the (11-20) plane of the nitride semiconductor layer 15 is parallel to the upper surface 40 u of the substrate 40. At this time, the angle between the c-axis 16 of the nitride semiconductor layer 15 and the upper surface 40u of the substrate 40 is substantially 0 degree. The angle θ1 between the c-axis 16 and the first surface 15f is substantially 0 degree.

実施形態において、基板40として、サファイア基板を用いても良い。
例えば、基板40として、r面((1−102)面)のサファイア基板を用いても良い。この場合には、窒化物半導体層15の(11−22)面が、基板40の上面40uに対して平行になる。このとき、窒化物半導体層15のc軸16と、基板40の上面40uに対して垂直な軸と、の間の角度は、約58度である。c軸16と第1面15fとの間の角度θ1は、約32度である。
In the embodiment, a sapphire substrate may be used as the substrate 40.
For example, an r-plane ((1-102) plane) sapphire substrate may be used as the substrate 40. In this case, the (11-22) plane of the nitride semiconductor layer 15 is parallel to the upper surface 40 u of the substrate 40. At this time, the angle between the c-axis 16 of the nitride semiconductor layer 15 and the axis perpendicular to the upper surface 40 u of the substrate 40 is about 58 degrees. The angle θ1 between the c-axis 16 and the first surface 15f is about 32 degrees.

例えば、基板40として、n面((11−23)面)のサファイア基板を用いても良い。この場合には、窒化物半導体層15の(10−11)面が、基板40の上面40uに対して平行になる。このとき、窒化物半導体層15のc軸16と、基板40の上面40uに対して垂直な軸と、の間の角度は、約62度である。c軸16と第1面15fとの間の角度θ1は、約28度である。   For example, an n-plane ((11-23) plane) sapphire substrate may be used as the substrate 40. In this case, the (10-11) plane of the nitride semiconductor layer 15 is parallel to the upper surface 40 u of the substrate 40. At this time, the angle between the c-axis 16 of the nitride semiconductor layer 15 and the axis perpendicular to the upper surface 40 u of the substrate 40 is about 62 degrees. The angle θ1 between the c-axis 16 and the first surface 15f is about 28 degrees.

例えば、基板40として、a面((11−20)面))のサファイア基板を用いても良い。この場合には、窒化物半導体層15の(10−10)面が、基板40の上面40uに対して平行になる。このとき、窒化物半導体層15のc軸16と、基板40の上面40uと、の間の角度は、実質的に0度である。c軸16と第1面15fとの間の角度θ1は、実質的に0度である。   For example, as the substrate 40, an a-plane ((11-20) plane) sapphire substrate may be used. In this case, the (10-10) plane of the nitride semiconductor layer 15 is parallel to the upper surface 40 u of the substrate 40. At this time, the angle between the c-axis 16 of the nitride semiconductor layer 15 and the upper surface 40u of the substrate 40 is substantially 0 degree. The angle θ1 between the c-axis 16 and the first surface 15f is substantially 0 degree.

例えば、基板40として、m面((10−10)面)またはc面((0001)面)のサファイア基板を用いても良い。この場合には、窒化物半導体層15の(11−20)面が、基板40の上面40uに対して平行になる。このとき、窒化物半導体層15のc軸16と、基板40の上面40uと、の間の角度は、実質的に0度である。c軸16と第1面15fとの間の角度θ1は、実質的に0度である。   For example, a sapphire substrate of m-plane ((10-10) plane) or c-plane ((0001) plane) may be used as the substrate 40. In this case, the (11-20) plane of the nitride semiconductor layer 15 is parallel to the upper surface 40 u of the substrate 40. At this time, the angle between the c-axis 16 of the nitride semiconductor layer 15 and the upper surface 40u of the substrate 40 is substantially 0 degree. The angle θ1 between the c-axis 16 and the first surface 15f is substantially 0 degree.

例えば、基板40として、c面((0001)面)のサファイア基板を用いても良い。この場合には、窒化物半導体層15の(11−20)面が、基板40の上面40uに対して平行になる。このとき、窒化物半導体層15のc軸16と、基板40の上面40uと、の間の角度は、実質的に0度である。c軸16と第1面15fとの間の角度θ1は、実質的に0度である。   For example, a c-plane ((0001) plane) sapphire substrate may be used as the substrate 40. In this case, the (11-20) plane of the nitride semiconductor layer 15 is parallel to the upper surface 40 u of the substrate 40. At this time, the angle between the c-axis 16 of the nitride semiconductor layer 15 and the upper surface 40u of the substrate 40 is substantially 0 degree. The angle θ1 between the c-axis 16 and the first surface 15f is substantially 0 degree.

基板40の面方位によって、窒化物半導体層15の第1面15f(主面)の結晶面を変化させることができる。   Depending on the plane orientation of the substrate 40, the crystal plane of the first surface 15 f (main surface) of the nitride semiconductor layer 15 can be changed.

例えば、実施形態において、窒化物半導体層15の第1面15fは、(11−22)面、(10−11)面、(11−20)面、及び、(10−10)面のいずれかに対して平行である。窒化物半導体層15の表面に凹凸などが形成される場合、第1面15fが、(11−22)面、(10−11)面、(11−20)面、及び、(10−10)面のいずれかに対して平行な部分を含む場合がある。   For example, in the embodiment, the first surface 15f of the nitride semiconductor layer 15 is any one of the (11-22) plane, the (10-11) plane, the (11-20) plane, and the (10-10) plane. Is parallel to. When unevenness or the like is formed on the surface of the nitride semiconductor layer 15, the first surface 15f has a (11-22) plane, a (10-11) plane, a (11-20) plane, and (10-10). It may include a portion parallel to any of the surfaces.

図10(a)〜図10(d)は、第1の実施形態に係る窒化物半導体装置を例示する模式的断面図である。
これらの例においては、窒化物半導体装置は、発光装置(例えばLED)である。
図10(a)に示す窒化物半導体装置121においては、基板40の上に下地層50(例えばGaN層)が設けられ、下地層50の上に、機能層10が設けられる。機能層10は、第1半導体層11、第2半導体層12及び活性層13に加えて、低不純物濃度層11iをさらに含む。低不純物濃度層11iは、第1半導体層11と下地層50との間に配置される。低不純物濃度層11iにおける不純物濃度は、第1半導体層11における不純物濃度よりも低い。低不純物濃度層11iには、例えば、アンドープのGaNが用いられる。
FIG. 10A to FIG. 10D are schematic cross-sectional views illustrating the nitride semiconductor device according to the first embodiment.
In these examples, the nitride semiconductor device is a light emitting device (for example, LED).
In the nitride semiconductor device 121 shown in FIG. 10A, a base layer 50 (for example, a GaN layer) is provided on the substrate 40, and the functional layer 10 is provided on the base layer 50. The functional layer 10 further includes a low impurity concentration layer 11 i in addition to the first semiconductor layer 11, the second semiconductor layer 12, and the active layer 13. The low impurity concentration layer 11 i is disposed between the first semiconductor layer 11 and the base layer 50. The impurity concentration in the low impurity concentration layer 11 i is lower than the impurity concentration in the first semiconductor layer 11. For the low impurity concentration layer 11i, for example, undoped GaN is used.

この例では、第1半導体層11は、第1部分11aと第2部分11bとを含む。第2部分11bは、第1面15fに対して平行な面内で、第1部分11aと並ぶ。第2半導体層12は、第3方向D3において、第1部分11aと離間する。第2半導体層12と第1部分11aとの間に活性層13が配置される。   In this example, the first semiconductor layer 11 includes a first portion 11a and a second portion 11b. The second portion 11b is aligned with the first portion 11a in a plane parallel to the first surface 15f. The second semiconductor layer 12 is separated from the first portion 11a in the third direction D3. An active layer 13 is disposed between the second semiconductor layer 12 and the first portion 11a.

第1電極11eと、第2電極12eと、が設けられる。第1電極11eは、第1半導体層11の第2部分11bと電気的に接続される。第2電極12eは、第2半導体層12と電気的に接続される。   A first electrode 11e and a second electrode 12e are provided. The first electrode 11 e is electrically connected to the second portion 11 b of the first semiconductor layer 11. The second electrode 12e is electrically connected to the second semiconductor layer 12.

第1電極11eと第2電極12eとの間に電圧を印加することで、活性層13に電流が供給され、活性層13から光が放出される。   By applying a voltage between the first electrode 11e and the second electrode 12e, a current is supplied to the active layer 13, and light is emitted from the active layer 13.

図10(b)に示す窒化物半導体装置122においては、窒化物半導体層15が形成された後に、基板40及び下地層50が除去されている。この例では、保持部70が設けられている。第1電極11eと保持部70との間に、第2電極12eが設けられる。第1電極11eと第2電極12eとの間に機能層10が設けられる。   In the nitride semiconductor device 122 shown in FIG. 10B, the substrate 40 and the underlayer 50 are removed after the nitride semiconductor layer 15 is formed. In this example, a holding unit 70 is provided. A second electrode 12e is provided between the first electrode 11e and the holding unit 70. The functional layer 10 is provided between the first electrode 11e and the second electrode 12e.

図10(c)に示す窒化物半導体装置123においても、基板40と下地層50が除去されている。第1半導体層11の第1部分11aと保持部70との間に第2半導体層12が配置される。第2半導体層12と保持部70との間に第2電極12eが配置される。保持部70は、第2電極12eと電気的に接続される。第1部分11aと第2半導体層12との間に活性層13が配置される。第1半導体層11の第2部分11bと保持部70との間に第1電極11eが設けられる。第1電極11eと保持部70との間に絶縁層75が設けられる。第1電極11eは、活性層13、第2半導体層12、第2電極12e及び保持部70と、電気的に絶縁される。   Also in the nitride semiconductor device 123 shown in FIG. 10C, the substrate 40 and the base layer 50 are removed. The second semiconductor layer 12 is disposed between the first portion 11 a of the first semiconductor layer 11 and the holding unit 70. The second electrode 12 e is disposed between the second semiconductor layer 12 and the holding unit 70. The holding part 70 is electrically connected to the second electrode 12e. An active layer 13 is disposed between the first portion 11 a and the second semiconductor layer 12. The first electrode 11 e is provided between the second portion 11 b of the first semiconductor layer 11 and the holding unit 70. An insulating layer 75 is provided between the first electrode 11 e and the holding unit 70. The first electrode 11e is electrically insulated from the active layer 13, the second semiconductor layer 12, the second electrode 12e, and the holding unit 70.

図10(d)に示す窒化物半導体装置124においても、基板40と下地層50が除去されている。この例では、保持部70は、第1電極11eと電気的に接続される。第2電極12eと保持部70との間に絶縁層75が設けられる。第1電極11e及び保持部70は、活性層13、第2半導体層12及び第2電極12eと、電気的に絶縁される。   Also in the nitride semiconductor device 124 shown in FIG. 10D, the substrate 40 and the base layer 50 are removed. In this example, the holding unit 70 is electrically connected to the first electrode 11e. An insulating layer 75 is provided between the second electrode 12 e and the holding unit 70. The first electrode 11e and the holding unit 70 are electrically insulated from the active layer 13, the second semiconductor layer 12, and the second electrode 12e.

図11は、第1の実施形態に係る別の窒化物半導体装置を例示する模式的断面図である。
この例の窒化物半導体装置131は、HEMT(High Electron Mobility Transistor)装置である。窒化物半導体装置131においては、機能層10は、第1層81と、第2層82と、を含む。窒化物半導体装置131には、ゲート電極85と、ソース電極83と、ドレイン電極84と、が設けられる。
FIG. 11 is a schematic cross-sectional view illustrating another nitride semiconductor device according to the first embodiment.
The nitride semiconductor device 131 in this example is a HEMT (High Electron Mobility Transistor) device. In nitride semiconductor device 131, functional layer 10 includes a first layer 81 and a second layer 82. The nitride semiconductor device 131 is provided with a gate electrode 85, a source electrode 83, and a drain electrode 84.

第2層82は、第1層81と基板40との間に設けられる。
第2層82には、例えばアンドープのAlαGa1−αN(0≦α≦1)が用いられる。第1層81には、例えばアンドープまたはn形のAlβGa1−βN(0≦β≦1、α<β)が用いられる。例えば、第2層82にはアンドープのGaN層が用いられ、第1層81にはアンドープまたはn形のAlGaN層が用いられる。
The second layer 82 is provided between the first layer 81 and the substrate 40.
The second layer 82, for example, undoped Al α Ga 1-α N ( 0 ≦ α ≦ 1) is used. The first layer 81, for example, Al β Ga 1-β N ( 0 ≦ β ≦ 1, α <β) of undoped or n-type is used. For example, an undoped GaN layer is used for the second layer 82, and an undoped or n-type AlGaN layer is used for the first layer 81.

ゲート電極85、ソース電極83及びドレイン電極84と、基板40と、の間に、機能層10が配置される。これらの電極は、X−Y平面内に並ぶ。ゲート電極85は、ソース電極83とドレイン電極84との間に配置される。ソース電極83及びドレイン電極84は、第1層81とオーミック接触する。ゲート電極85は、例えば、第1層81とショットキー接触する。   The functional layer 10 is disposed between the gate electrode 85, the source electrode 83 and the drain electrode 84, and the substrate 40. These electrodes are arranged in the XY plane. The gate electrode 85 is disposed between the source electrode 83 and the drain electrode 84. The source electrode 83 and the drain electrode 84 are in ohmic contact with the first layer 81. For example, the gate electrode 85 is in Schottky contact with the first layer 81.

第1層81の格子定数は、第2層82の格子定数よりも小さい。これにより、第1層81に歪みが生じる。ピエゾ効果により、第1層81内にピエゾ分極が生じる。第2層82のうちの第1層81との界面付近に、2次元電子ガス82gが形成される。   The lattice constant of the first layer 81 is smaller than the lattice constant of the second layer 82. As a result, distortion occurs in the first layer 81. Piezoelectric polarization occurs in the first layer 81 due to the piezoelectric effect. A two-dimensional electron gas 82 g is formed near the interface of the second layer 82 with the first layer 81.

窒化物半導体装置131においては、ゲート電極85に印加する電圧を制御することで、ゲート電極85の下の2次元電子ガス82gの濃度が変化し、ソース電極83とドレイン電極84との間に流れる電流が制御される。   In the nitride semiconductor device 131, by controlling the voltage applied to the gate electrode 85, the concentration of the two-dimensional electron gas 82 g below the gate electrode 85 changes and flows between the source electrode 83 and the drain electrode 84. The current is controlled.

このように、この例の窒化物半導体装置131は、基板40及び窒化物半導体層15に加え、第1電極(ソース電極83)と、第2電極(ドレイン電極84)と、第3電極(ゲート電極85)と、をさらに含む。これらの電極と、基板40と、の間に窒化物半導体層15が配置される。窒化物半導体層15(例えば機能層10)は、第1層81と、第2層82と、を含む。第1層81と基板40との間に第2層82が配置される。第1層81の格子定数は、第2層82の格子定数よりも小さい。   Thus, the nitride semiconductor device 131 in this example includes the first electrode (source electrode 83), the second electrode (drain electrode 84), and the third electrode (gate) in addition to the substrate 40 and the nitride semiconductor layer 15. An electrode 85). A nitride semiconductor layer 15 is disposed between these electrodes and the substrate 40. The nitride semiconductor layer 15 (for example, the functional layer 10) includes a first layer 81 and a second layer 82. A second layer 82 is disposed between the first layer 81 and the substrate 40. The lattice constant of the first layer 81 is smaller than the lattice constant of the second layer 82.

窒化物半導体装置131においては、実施形態に係る窒化物半導体層15を用いることで、反りが抑制され、クラックCRが抑制できる。   In the nitride semiconductor device 131, by using the nitride semiconductor layer 15 according to the embodiment, warpage can be suppressed and crack CR can be suppressed.

このように、実施形態に係る窒化物半導体装置は、窒化物半導体層15を含む。この窒化物半導体層15は、基板40の上に形成される。この基板40は、主面40aに沿って広がる。主面40aは、上面40uと、複数の斜面41と、を含む(図1(b)参照)。複数の斜面41は、上面40uに対して傾斜する。上面40uに対して平行な第1方向D1における複数の斜面41のそれぞれの長さは、上面40uに対して平行で第1方向D1に対して垂直な第2方向D2における複数の斜面41のそれぞれの長さよりも長い。複数の斜面41は、第2方向に並ぶ。このような、基板40の複数の斜面41から、窒化物半導体層15は成長される。窒化物半導体層15のc軸16は、第2方向D2に対して傾斜している。c軸16は、上面40uに対して垂直な第3方向D3と交差する。例えば、c軸16は、第3方向D3に対して傾斜する。   As described above, the nitride semiconductor device according to the embodiment includes the nitride semiconductor layer 15. The nitride semiconductor layer 15 is formed on the substrate 40. The substrate 40 extends along the main surface 40a. The main surface 40a includes an upper surface 40u and a plurality of inclined surfaces 41 (see FIG. 1B). The plurality of inclined surfaces 41 are inclined with respect to the upper surface 40u. The lengths of the plurality of inclined surfaces 41 in the first direction D1 parallel to the upper surface 40u are the lengths of the plurality of inclined surfaces 41 in the second direction D2 parallel to the upper surface 40u and perpendicular to the first direction D1. Longer than the length of. The plurality of inclined surfaces 41 are arranged in the second direction. The nitride semiconductor layer 15 is grown from the plurality of inclined surfaces 41 of the substrate 40 as described above. The c-axis 16 of the nitride semiconductor layer 15 is inclined with respect to the second direction D2. The c-axis 16 intersects the third direction D3 perpendicular to the upper surface 40u. For example, the c-axis 16 is inclined with respect to the third direction D3.

c軸16と上面40uとの間の角度は、0度以上85度以下である。c軸16を上面40uに投影した方向と、第2方向D2と、の間の角度は、5度以上85度以下である。   The angle between the c-axis 16 and the upper surface 40u is not less than 0 degrees and not more than 85 degrees. The angle between the direction in which the c-axis 16 is projected onto the upper surface 40u and the second direction D2 is not less than 5 degrees and not more than 85 degrees.

例えば、基板40がシリコン基板の場合、基板40の上面40uは、シリコンの(113)面、(001)面、(112)面、及び、(110)面のいずれかに対して平行である。   For example, when the substrate 40 is a silicon substrate, the upper surface 40u of the substrate 40 is parallel to any of the (113) plane, (001) plane, (112) plane, and (110) plane of silicon.

基板40の面方位は厳密面に限らず、指数が入れ替わった等価面でも良い。例えば、シリコンの(113)面の場合、(11−3)面や(311)面などでも良い。すなわち、(113)面と等価な面を含むミラー指数の包括表現である{113}面で表される結晶面であれば良い。   The plane orientation of the substrate 40 is not limited to a strict plane, and may be an equivalent plane in which indices are switched. For example, in the case of the (113) plane of silicon, the (11-3) plane or the (311) plane may be used. That is, any crystal plane represented by the {113} plane, which is a comprehensive expression of the Miller index including a plane equivalent to the (113) plane, may be used.

図12は、窒化物半導体装置を例示する電子顕微鏡写真像である。
図12には、電子線回折法などを用いて測定されたc軸16を示している。図12は、第1方向D1の方向に観察した断面TEM像である。
FIG. 12 is an electron micrograph image illustrating a nitride semiconductor device.
FIG. 12 shows the c-axis 16 measured using an electron beam diffraction method or the like. FIG. 12 is a cross-sectional TEM image observed in the first direction D1.

図12には、転位18が観察されている。c軸16と、転位18の方向と、は、ほぼ平行である。転位18の方向は、c軸16である。例示した転位18は、斜面41を起点に伸びている。転位18の方向は、操作が加わらない限り、窒化物結晶内で変化しない。斜面が見られない場合でも、転位18の方向は、c軸16である。   In FIG. 12, dislocations 18 are observed. The c-axis 16 and the direction of the dislocation 18 are substantially parallel. The direction of the dislocation 18 is the c-axis 16. The illustrated dislocation 18 extends from the slope 41 as a starting point. The direction of the dislocation 18 does not change within the nitride crystal unless manipulation is applied. Even when no slope is seen, the direction of the dislocation 18 is the c-axis 16.

図12に示すように、積層欠陥19が観察されている。積層欠陥19は、c軸に対して垂直な方向に沿って延びる。したがって、積層欠陥19は、窒化物結晶の主面(第1面15f)と交差する。積層欠陥19は、境界17の領域に、主に形成される。例えば、斜面が観察されない場合において、積層欠陥19の方向及び転位18の方向などから、c軸16及び境界17が判断できる。例えば、積層欠陥19が主面と交差することにより、c軸16が、上面40uに対して垂直な第3方向D3と交差していることが判断できる。   As shown in FIG. 12, a stacking fault 19 is observed. The stacking fault 19 extends along a direction perpendicular to the c-axis. Therefore, the stacking fault 19 intersects the main surface (first surface 15f) of the nitride crystal. The stacking fault 19 is mainly formed in the region of the boundary 17. For example, when the slope is not observed, the c-axis 16 and the boundary 17 can be determined from the direction of the stacking fault 19 and the direction of the dislocation 18. For example, when the stacking fault 19 intersects the main surface, it can be determined that the c-axis 16 intersects the third direction D3 perpendicular to the upper surface 40u.

(第2の実施形態)
本実施形態は、窒化物半導体層の製造方法に係る。
図13は、第2の実施形態に係る窒化物半導体層の製造方法を例示するフローチャート図である。
本製造方法においては、基板40を用意する(ステップS110)。この基板40は、主面40aを有する。主面40aは、上面40uと、複数の斜面41と、を含む。複数の斜面41は、上面40uに対して傾斜する。上面40uに対して平行な第1方向D1における複数の斜面41のそれぞれの長さは、上面40uに対して平行で第1方向D1に対して垂直な第2方向D2における複数の斜面41のそれぞれの長さよりも長い。複数の斜面41は、第2方向D2に並ぶ。
(Second Embodiment)
The present embodiment relates to a method for manufacturing a nitride semiconductor layer.
FIG. 13 is a flowchart illustrating the method for manufacturing the nitride semiconductor layer according to the second embodiment.
In this manufacturing method, the substrate 40 is prepared (step S110). The substrate 40 has a main surface 40a. The main surface 40a includes an upper surface 40u and a plurality of inclined surfaces 41. The plurality of inclined surfaces 41 are inclined with respect to the upper surface 40u. The lengths of the plurality of inclined surfaces 41 in the first direction D1 parallel to the upper surface 40u are the lengths of the plurality of inclined surfaces 41 in the second direction D2 parallel to the upper surface 40u and perpendicular to the first direction D1. Longer than the length of. The plurality of inclined surfaces 41 are arranged in the second direction D2.

本製造方法においては、複数の斜面41から、エピタキシャル成長により、窒化物半導体層15を成長させる(ステップS120)。   In this manufacturing method, the nitride semiconductor layer 15 is grown from the plurality of inclined surfaces 41 by epitaxial growth (step S120).

窒化物半導体層15のc軸16は、第1方向D1に対して傾斜する。c軸16は、第2方向D2に対して傾斜する。c軸16は、上面40uに対して垂直な第3方向D3と交差する。例えば、c軸16は、第3方向D3に対して傾斜する。
本製造方法によれば、反りが抑制でき、クラックCRが抑制できる。
The c-axis 16 of the nitride semiconductor layer 15 is inclined with respect to the first direction D1. The c-axis 16 is inclined with respect to the second direction D2. The c-axis 16 intersects the third direction D3 perpendicular to the upper surface 40u. For example, the c-axis 16 is inclined with respect to the third direction D3.
According to this manufacturing method, warpage can be suppressed and crack CR can be suppressed.

実施形態に係る窒化物半導体層、窒化物半導体装置及び窒化物半導体層の製造方法において、窒化物半導体層15の成長方法には、例えば、有機金属気相堆積(Metal-Organic Chemical Vapor Deposition:MOCVD)法、有機金属気相成長(Metal-Organic Vapor Phase Epitaxy:MOVPE)法、分子線エピタキシー(Molecular Beam Epitaxy:MBE)法、及び、ハライド気相エピタキシー(Halide Vapor Phase Epitaxy:HVPE)法などを用いることができる。   In the nitride semiconductor layer, nitride semiconductor device, and nitride semiconductor layer manufacturing method according to the embodiment, the nitride semiconductor layer 15 may be grown by, for example, metal-organic chemical vapor deposition (MOCVD). ) Method, Metal-Organic Vapor Phase Epitaxy (MOVPE) method, Molecular Beam Epitaxy (MBE) method, Halide Vapor Phase Epitaxy (HVPE) method, etc. be able to.

実施形態によれば、高生産性の窒化物半導体層、窒化物半導体装置及び窒化物半導体層の製造方法が提供できる。   According to the embodiment, a highly productive nitride semiconductor layer, a nitride semiconductor device, and a method for manufacturing the nitride semiconductor layer can be provided.

なお、本明細書において「窒化物半導体」とは、BInAlGa1−x−y−zN(0≦x≦1,0≦y≦1,0≦z≦1,x+y+z≦1)なる化学式において組成比x、y及びzをそれぞれの範囲内で変化させた全ての組成の半導体を含むものとする。またさらに、上記化学式において、N(窒素)以外のV族元素もさらに含むもの、導電形などの各種の物性を制御するために添加される各種の元素をさらに含むもの、及び、意図せずに含まれる各種の元素をさらに含むものも、「窒化物半導体」に含まれるものとする。 In this specification, “nitride semiconductor” means B x In y Al z Ga 1-xyz N (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, 0 ≦ z ≦ 1, x + y + z ≦ 1) Semiconductors having all compositions in which the composition ratios x, y, and z are changed within the respective ranges are included. Furthermore, in the above chemical formula, those further containing a group V element other than N (nitrogen), those further containing various elements added for controlling various physical properties such as conductivity type, and unintentionally Those further including various elements included are also included in the “nitride semiconductor”.

なお、本願明細書において、「垂直」及び「平行」は、厳密な垂直及び厳密な平行だけではなく、例えば製造工程におけるばらつきなどを含むものであり、実質的に垂直及び実質的に平行であれば良い。   In the present specification, “vertical” and “parallel” include not only strictly vertical and strictly parallel, but also include, for example, variations in the manufacturing process, and may be substantially vertical and substantially parallel. It ’s fine.

以上、具体例を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明は、これらの具体例に限定されるものではない。例えば、窒化物半導体装置に含まれる窒化物半導体層、基板、バッファ層、下地層、半導体層、活性層及び電極などの各要素の具体的な構成に関しては、当業者が公知の範囲から適宜選択することにより本発明を同様に実施し、同様の効果を得ることができる限り、本発明の範囲に包含される。   The embodiments of the present invention have been described above with reference to specific examples. However, the present invention is not limited to these specific examples. For example, a specific configuration of each element such as a nitride semiconductor layer, a substrate, a buffer layer, a base layer, a semiconductor layer, an active layer, and an electrode included in the nitride semiconductor device is appropriately selected by those skilled in the art from a known range. By doing so, the present invention is included in the scope of the present invention as long as the same effects can be obtained and similar effects can be obtained.

また、各具体例のいずれか2つ以上の要素を技術的に可能な範囲で組み合わせたものも、本発明の要旨を包含する限り本発明の範囲に含まれる。   Moreover, what combined any two or more elements of each specific example in the technically possible range is also included in the scope of the present invention as long as the gist of the present invention is included.

その他、本発明の実施の形態として上述した窒化物半導体層、窒化物半導体装置及び窒化物半導体層の製造方法を基にして、当業者が適宜設計変更して実施し得る全ての窒化物半導体層、窒化物半導体装置及び窒化物半導体層の製造方法も、本発明の要旨を包含する限り、本発明の範囲に属する。   In addition, all nitride semiconductor layers that can be implemented by those skilled in the art by appropriately modifying the design based on the nitride semiconductor layer, the nitride semiconductor device, and the method for manufacturing the nitride semiconductor layer described above as embodiments of the present invention. The nitride semiconductor device and the method for manufacturing the nitride semiconductor layer also belong to the scope of the present invention as long as they include the gist of the present invention.

その他、本発明の思想の範疇において、当業者であれば、各種の変更例及び修正例に想到し得るものであり、それら変更例及び修正例についても本発明の範囲に属するものと了解される。   In addition, in the category of the idea of the present invention, those skilled in the art can conceive of various changes and modifications, and it is understood that these changes and modifications also belong to the scope of the present invention. .

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。   Although several embodiments of the present invention have been described, these embodiments are presented by way of example and are not intended to limit the scope of the invention. These novel embodiments can be implemented in various other forms, and various omissions, replacements, and changes can be made without departing from the scope of the invention. These embodiments and modifications thereof are included in the scope and gist of the invention, and are included in the invention described in the claims and the equivalents thereof.

10…機能層、 11…第1半導体層、 11a…第1部分、 11b…第2部分、 11e…第1電極、 11i…低不純物濃度層、 12…第2半導体層、 12e…第2電極、 13…活性層、 15…窒化物半導体層、 15a、15b…第1、第2領域、 15f…第1面、 16、16a、16b…c軸、 16p…方向、 17…境界、 18…転位、 19…積層欠陥、 40…基板、 40a…主面、 40u…上面、 41、41a、41b…斜面、 45…凹部、 45a、45b…第1、第2凹部、 46as、46ar、46bs、46br…側面、 46at、46bt…底面、 47…オリエンテーションフラット、 50…下地層、 51…GaN層、 52…稜線、 60…バッファ層、 64…マスク層、 64f…酸化シリコン膜、 65…レジスト膜、 70…保持部、 75…絶縁層、 81、82…第1、第2層、 82g…2次元電子ガス、 83…ソース電極(第1電極)、 84…ドレイン電極(第2電極)、 85…ゲート電極(第3電極)、 ΔC…熱膨張係数差、 ΔC1、ΔC2…差、 α…傾斜角、 β…角度、 θ1、θ2…角度、 110、121〜124、131…窒化物半導体装置、 CR…クラック、 D1〜D3…第1〜第3方向、 L1…長さ、 SP10、SP20、SP30、SP11、SP31…第1〜第5試料、 d1、d2…距離、 p1〜p3…部分   DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Functional layer, 11 ... 1st semiconductor layer, 11a ... 1st part, 11b ... 2nd part, 11e ... 1st electrode, 11i ... Low impurity concentration layer, 12 ... 2nd semiconductor layer, 12e ... 2nd electrode, DESCRIPTION OF SYMBOLS 13 ... Active layer, 15 ... Nitride semiconductor layer, 15a, 15b ... 1st, 2nd area | region, 15f ... 1st surface, 16, 16a, 16b ... c-axis, 16p ... direction, 17 ... Boundary, 18 ... Dislocation, 19 ... Stacking fault, 40 ... Substrate, 40a ... Main surface, 40u ... Upper surface, 41, 41a, 41b ... Slope, 45 ... Recess, 45a, 45b ... First, second recess, 46as, 46ar, 46bs, 46br ... Side 46 at, 46 bt ... bottom surface, 47 ... orientation flat, 50 ... underlayer, 51 ... GaN layer, 52 ... ridge line, 60 ... buffer layer, 64 ... mask layer, 64 f ... CON film, 65 ... resist film, 70 ... holding part, 75 ... insulating layer, 81, 82 ... first and second layers, 82g ... two-dimensional electron gas, 83 ... source electrode (first electrode), 84 ... drain electrode (Second electrode), 85 ... gate electrode (third electrode), ΔC ... thermal expansion coefficient difference, ΔC1, ΔC2 ... difference, α ... inclination angle, β ... angle, θ1, θ2 ... angle, 110, 121-124, 131: nitride semiconductor device, CR: crack, D1 to D3: first to third directions, L1: length, SP10, SP20, SP30, SP11, SP31 ... first to fifth samples, d1, d2 ... distance, p1-p3 ... part

Claims (20)

第1面に沿って広がる窒化物半導体層であって、
第1領域であって、前記第1面に対して平行な第1方向における前記第1領域の長さは、前記第1面に対して平行で前記第1方向に対して垂直な第2方向における前記第1領域の長さよりも長い前記第1領域と、
前記第2方向において前記第1領域と並ぶ第2領域であって、前記第1方向における前記第2領域の長さは、前記第2方向における前記第2領域の長さよりも長い前記第2領域と、
を備え、
前記第1領域及び前記第2領域のc軸は、前記第2方向に対して傾斜し、
前記c軸は、前記第1面に対して垂直な第3方向と交差し、
前記c軸は、前記第2方向及び前記第3方向を含む平面に対して傾斜した、窒化物半導体層。
A nitride semiconductor layer extending along a first surface,
The length of the first region in the first direction parallel to the first surface is a second direction parallel to the first surface and perpendicular to the first direction. The first region being longer than the length of the first region in
The second region, which is aligned with the first region in the second direction, wherein the length of the second region in the first direction is longer than the length of the second region in the second direction. When,
With
The c-axis of the first region and the second region is inclined with respect to the second direction,
The c-axis intersects a third direction perpendicular to the first surface ;
The nitride semiconductor layer , wherein the c-axis is inclined with respect to a plane including the second direction and the third direction .
前記c軸と、前記第1面と、の間の角度は、0度以上85度以下である請求項1記載の窒化物半導体層。   The nitride semiconductor layer according to claim 1, wherein an angle between the c-axis and the first surface is not less than 0 degrees and not more than 85 degrees. 前記c軸を前記第1面に投影した方向と、前記第2方向と、の間の角度は、5度以上85度以下である請求項1または2に記載の窒化物半導体層。   3. The nitride semiconductor layer according to claim 1, wherein an angle between a direction in which the c-axis is projected on the first surface and the second direction is not less than 5 degrees and not more than 85 degrees. 前記第1面は、(11−22)面、(10−11)面、(11−20)面、及び、(10−10)面のいずれかに対して平行である請求項1〜3のいずれか1つに記載の窒化物半導体層。   The first surface is parallel to any of the (11-22) plane, the (10-11) plane, the (11-20) plane, and the (10-10) plane. The nitride semiconductor layer as described in any one. 前記窒化物半導体層は、
第1導電形の第1半導体層と、
前記第3方向において前記第1半導体層と離間し第2導電形の第2半導体層と、
前記第1半導体層と前記第2半導体層との間に設けられた活性層と、
を含む請求項1〜4のいずれか1つに記載の窒化物半導体層。
The nitride semiconductor layer is
A first semiconductor layer of a first conductivity type;
A second semiconductor layer of a second conductivity type spaced apart from the first semiconductor layer in the third direction;
An active layer provided between the first semiconductor layer and the second semiconductor layer;
The nitride semiconductor layer according to claim 1, comprising:
上面と、前記上面に対して傾斜する複数の斜面と、を含む主面を有する基板であって、前記上面に対して平行な第1方向における前記複数の斜面のそれぞれの長さは、前記上面に対して平行で前記第1方向に対して垂直な第2方向における前記複数の斜面のそれぞれの長さよりも長く、前記複数の斜面は前記第2方向に並ぶ、前記基板と、
前記複数の斜面から成長された窒化物半導体層
を備え、
前記窒化物半導体層のc軸は、前記第2方向に対して傾斜し、
前記c軸は、前記上面に対して垂直な第3方向と交差し、
前記c軸は、前記第2方向及び前記第3方向を含む平面に対して傾斜した、窒化物半導体装置。
A substrate having a main surface including an upper surface and a plurality of inclined surfaces inclined with respect to the upper surface, wherein each length of the plurality of inclined surfaces in a first direction parallel to the upper surface is the upper surface Longer than each of the plurality of slopes in a second direction parallel to the first direction and perpendicular to the first direction, the plurality of slopes being aligned in the second direction; and
And the nitride semiconductor layer grown from the plurality of inclined surfaces,
With
A c-axis of the nitride semiconductor layer is inclined with respect to the second direction;
The c-axis intersects a third direction perpendicular to the top surface ;
The nitride semiconductor device , wherein the c-axis is inclined with respect to a plane including the second direction and the third direction .
前記基板の少なくとも一部が除去されている請求項6記載の窒化物半導体装置。   The nitride semiconductor device according to claim 6, wherein at least a part of the substrate is removed. 窒化物半導体層を備え、
上面と、前記上面に対して傾斜する複数の斜面と、を含む主面を有する基板であって、前記上面に対して平行な第1方向における前記複数の斜面のそれぞれの長さは、前記上面に対して平行で前記第1方向に対して垂直な第2方向における前記複数の斜面のそれぞれの長さよりも長く、前記複数の斜面は前記第2方向に並ぶ、前記基板の前記複数の斜面から、前記窒化物半導体層は成長され、
前記窒化物半導体層のc軸は、前記第2方向に対して傾斜し、
前記c軸は、前記上面に対して垂直な第3方向と交差し、
前記c軸は、前記第2方向及び前記第3方向を含む平面に対して傾斜した、窒化物半導体装置。
Comprising a nitride semiconductor layer;
A substrate having a main surface including an upper surface and a plurality of inclined surfaces inclined with respect to the upper surface, wherein each length of the plurality of inclined surfaces in a first direction parallel to the upper surface is the upper surface Longer than each of the plurality of slopes in a second direction parallel to the first direction and perpendicular to the first direction, the plurality of slopes being aligned in the second direction from the plurality of slopes of the substrate The nitride semiconductor layer is grown;
A c-axis of the nitride semiconductor layer is inclined with respect to the second direction;
The c-axis intersects a third direction perpendicular to the top surface ;
The nitride semiconductor device , wherein the c-axis is inclined with respect to a plane including the second direction and the third direction .
前記c軸と前記上面との間の角度は、0度以上85度以下である請求項6〜8のいずれか1つに記載の窒化物半導体装置。   The nitride semiconductor device according to any one of claims 6 to 8, wherein an angle between the c-axis and the upper surface is not less than 0 degrees and not more than 85 degrees. 前記上面に前記c軸を投影した方向と、前記第2方向と、の間の角度は、5度以上85度以下である請求項6〜9のいずれか1つに記載の窒化物半導体装置。   10. The nitride semiconductor device according to claim 6, wherein an angle between a direction in which the c-axis is projected on the upper surface and the second direction is not less than 5 degrees and not more than 85 degrees. 前記窒化物半導体層の(11−22)面、(10−11)面、(11−20)面、及び、(10−10)面のいずれかは、前記上面に対して平行である請求項6〜10のいずれか1つに記載の窒化物半導体装置。   The (11-22) plane, (10-11) plane, (11-20) plane, or (10-10) plane of the nitride semiconductor layer is parallel to the upper surface. The nitride semiconductor device according to any one of 6 to 10. 前記基板は、シリコン基板である請求項6〜11のいずれか1つに記載の窒化物半導体装置。   The nitride semiconductor device according to claim 6, wherein the substrate is a silicon substrate. 前記上面は、シリコンの(113)面、(001)面、(112)面、及び、(110)面のいずれかに対して平行である請求項12記載の窒化物半導体装置。   The nitride semiconductor device according to claim 12, wherein the upper surface is parallel to any of a (113) plane, a (001) plane, a (112) plane, and a (110) plane of silicon. 前記基板は、前記第2方向に並ぶ複数の凹部を有し、
前記複数の斜面のそれぞれは、前記複数の凹部のそれぞれの側面の一部である請求項6〜13のいずれか1つに記載の窒化物半導体装置。
The substrate has a plurality of recesses arranged in the second direction,
The nitride semiconductor device according to claim 6, wherein each of the plurality of inclined surfaces is a part of a side surface of each of the plurality of recesses.
前記基板は、前記第2方向に並ぶ複数の凹部を有し、
前記複数の凹部のそれぞれは、互いに向かい合う第1側面及び第2側面を含み、
前記複数の斜面のそれぞれは、前記複数の凹部のそれぞれの前記第1側面である請求項6〜13のいずれか1つに記載の窒化物半導体装置。
The substrate has a plurality of recesses arranged in the second direction,
Each of the plurality of recesses includes a first side surface and a second side surface facing each other,
The nitride semiconductor device according to claim 6, wherein each of the plurality of inclined surfaces is the first side surface of each of the plurality of recesses.
前記複数の凹部のそれぞれの深さは、0.3マイクロメートル以上3マイクロメートル以下である請求項6〜15のいずれか1つに記載の窒化物半導体装置。   The nitride semiconductor device according to any one of claims 6 to 15, wherein each of the plurality of recesses has a depth of not less than 0.3 micrometers and not more than 3 micrometers. 前期複数の凹部のそれぞれの深さは、前記複数の凹部のそれぞれの間の前記上面の前記第2方向の長さの0.3倍以上3倍以下である請求項6〜16のいずれか1つに記載の窒化物半導体装置。   The depth of each of the plurality of recesses in the previous period is not less than 0.3 times and not more than 3 times the length in the second direction of the upper surface between each of the plurality of recesses. The nitride semiconductor device described in 1. 前記窒化物半導体層は、
第1半導体層と、
前記第1半導体層と前記基板との間に設けられた下地層と、
を含み、
前記第1半導体層における不純物濃度は、前記下地層における不純物濃度よりも高い請求項6〜17のいずれか1つに記載の窒化物半導体装置。
The nitride semiconductor layer is
A first semiconductor layer;
An underlayer provided between the first semiconductor layer and the substrate;
Including
The nitride semiconductor device according to claim 6, wherein an impurity concentration in the first semiconductor layer is higher than an impurity concentration in the base layer.
前記上面に対して平行な面内に並ぶ第1電極と、第2電極と、第3電極と、をさらに備え、
前記第1電極、前記第2電極及び前記第3電極と、前記基板と、の間に前記窒化物半導体層が配置され、
前記窒化物半導体層は、機能層を含み、
前記機能層は、第1層と、第2層と、を含み、
前記第1層と前記基板との間に前記第2層が配置され、
前記第1層の格子定数は、前記第2層の格子定数よりも小さい請求項6〜18のいずれか1つに記載の窒化物半導体装置。
A first electrode arranged in a plane parallel to the upper surface, a second electrode, and a third electrode;
The nitride semiconductor layer is disposed between the first electrode, the second electrode, the third electrode, and the substrate;
The nitride semiconductor layer includes a functional layer,
The functional layer includes a first layer and a second layer,
The second layer is disposed between the first layer and the substrate;
The nitride semiconductor device according to claim 6, wherein a lattice constant of the first layer is smaller than a lattice constant of the second layer.
上面と、前記上面に対して傾斜する複数の斜面と、を含む主面を有する基板であって、前記上面に対して平行な第1方向における前記複数の斜面のそれぞれの長さは、前記上面に対して平行で前記第1方向に対して垂直な第2方向における前記複数の斜面のそれぞれの長さよりも長く、前記複数の斜面は前記第2方向に並ぶ、前記基板を用意し、
前記複数の斜面からエピタキシャル成長により窒化物半導体層を成長させ、
前記窒化物半導体層のc軸は、前記第2方向に対して傾斜し、
前記c軸は、前記上面に対して垂直な第3方向と交差し、
前記c軸は、前記第2方向及び前記第3方向を含む平面に対して傾斜した、窒化物半導体層の製造方法。
A substrate having a main surface including an upper surface and a plurality of inclined surfaces inclined with respect to the upper surface, wherein each length of the plurality of inclined surfaces in a first direction parallel to the upper surface is the upper surface A substrate that is longer than each of the plurality of inclined surfaces in a second direction parallel to the first direction and perpendicular to the first direction, the plurality of inclined surfaces being arranged in the second direction;
Growing a nitride semiconductor layer by epitaxial growth from the plurality of slopes;
A c-axis of the nitride semiconductor layer is inclined with respect to the second direction;
The c-axis intersects a third direction perpendicular to the top surface ;
The method for manufacturing a nitride semiconductor layer , wherein the c-axis is inclined with respect to a plane including the second direction and the third direction .
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